AFT Fathom软件在船舶系统设计中的应用

季同盛，韩 啸，孙兴亮

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

1 前言

液化气船较常规船型而言，其管系设计中的消防水﹑中央冷却水﹑海水冷却等系统的管径设计﹑流量分配计算﹑压降校核计算﹑泵设计选型等具有相当的特殊性和复杂性。通常在设计时往往选择大管径﹑高扬程﹑大流量的泵，这不仅占用了船舶的有限空间，更提高了建造成本。本文针对某型液化气船的液货海水系统进行管道模型分析，通过减少节流孔板流通面积的方法，解决了海水出口气体探测装置无海水流通的问题。

2 AFT Fathom 软件介绍

AFT Fathom软件为美国AFT 公司开发，目前已快速成长为船舶管道流体模拟分析软件市场上的领导者。该软件在管径计算﹑压降计算﹑流量分配计算上极其方便，能模拟各种工况下的计算结果，并能根据模型出现的问题给出解决方案，从而为船舶系统的设计提供可靠的依据。

AFT Fathom软件使用修正后的牛顿- 拉夫森矩阵迭代方法和AFT 开发的专有管道流量求解方法，在场景管理器中模拟各种工况，其模型无大小限制，可模拟开式﹑闭式系统。

AFT Fathom软件稳态分析时，使用的连续性方程和质量守恒方程如下：

（1）管道中沿程阻力损失计算，使用Darcy-Weishach公式：

（2）节点间的总压力变化，使用Bernoulli方程：

（3）阻力计算方法如下：

① 管道的沿程阻力损失与管道的粗糙度有关，粗糙度可以是绝对粗糙度（使用长度单位），也可以是相对粗糙度（绝对粗糙度与管径的比值）；

② 在层流区，使用如下方程计算阻力系数：

③ 在紊流区，使用Colebrook-White方程计算阻力系数：

④ 管件的局部阻力损失，使用如下公式：

目前该软件在国内使用较多，如：大连造船公司用AFT Fathom 分析设计船舶消防和冷却系统，在消防系统设计中选择恰当的管径﹑泵﹑阀门﹑喷淋头等元件，以满足流量和压力要求；沪东中华造船公司用AFT Fathom 分析设计LNG船装卸系统，选择合适的管径和确定泵的选型，从而保证了装货系统和卸货系统中管系的压力降﹑各液货泵的装货卸货率﹑管路中液货流速；外高桥造船公司用AFT Fathom分析设计981深水半潜平台，通过在主路设置孔板节流来控制水量分布，并将主环路管径优化至12 in，解决了因管径过大给安装和检修带来的不便等。

在国外TGE﹑WGS﹑LEG三大液货系统厂家，均使用该软件核算系统详细设计中的管径大小和设备选型。

3 AFT Fathom软件工程应用

3.1 液货海水系统原理

如图1所示通过位于机舱的2台液货海水冷却泵，将海水抽送到水乙二醇冷却器﹑LPG冷凝器﹑制冷剂冷凝器等，对液化设备进行换热，最后排至舷外。

图1 海水系统原理图

我司在实船建造时，发现流经液货管路的海水出口探测装置没有反应，排往舷外的海水没有经过该液货海水探测装置直接排出去，故使用该软件进行分析。

3.2 软件模型

根据实际管路放样，对液货海水系统进行建模，其中管道及主要元件参数参照软件自带阻力系统，液货设备压降值设定由厂家给出，具体分别见下表1﹑表2，计算模型见图2。

表1 管道参数

表2 设备参数

图2 计算模型

3.3 模型计算结果

计算结果显示当海水经LPG加热/蒸发器排出舷外时，管件号37﹑38流量为负值，即无海水流向气体探测装置，计算结果如图3。

图3 探测装置管路计算结果

查看模型，发现排往舷外的海水出口管相对高度为12 350 mm，而海水探测装置的高度为23 281 mm，流经该三通处的压力过低，由于液体的自重流导致海水无法流至探测装置。

3.4 解决方法

可通过在排舷外的海水管路上添加节流孔板，来限制海水往排水管的流量。在软件中通过添加调控阀，设置经过该阀门的压损为10 m，软件计算结果显示有海水流向气体探测装置。软件计算在DN450的管路﹑压损10 m的调压阀，对应孔板的当量直径为248.5 mm。因此根据软件计算结果，现场将现有的节流孔板进行更换，发现气体探测装置有海水流通。

4 总结

该软件在系统建模﹑网格划分﹑求解和优化设计等方面使用方便，软件计算结果与实际状况符合。使用该软件能有效进行管道管径计算﹑管道压降计算，给前期的设备选型﹑管径选择等提供有效的理论依据。