基于Flowmaster的舰船消防管路泄漏模拟研究

吴 凯,卢佳鑫,栾秀春

(1.黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室,哈尔滨 150001; 2.核安全与先进核能技术工信部重点实验室,哈尔滨 150001;3.哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室,哈尔滨 150001)

舰船管路是关乎到舰船可靠性的重要系统,当管路中发生泄漏时,势必会对舰船的正常运行造成影响.舰船管路的施工往往是在舰船内部设备已经布置完全之后才开始进行的,这时管路的设计就不得不依托船内的布置进行.当舰船内部空间有限,难免会出现部分管路受制于内部构造而设计薄弱的情况[1].目前,对于舰船管路的泄漏已有许多研究.徐鹏[2]用Flowmaster软件对船舱底水系统进行模拟仿真,接着用传统经验公式对软件仿真结果进行验证,数据表明,误差在可接受范围内.此外,软件可以模拟全管路任意位置的压力、流量等参数,这点优势是传统经验公式所不能比拟的.Honghao Yin等[3]在文献中提到,舰船的压载水和消防管道系统的流体温差很小,可以将其视为等温流体网络.舰船内管路工作环境复杂,阀门的泄漏时有发生.吴猛猛[4]就阀门开度对管内瞬变压力波的影响展开研究.研究表明,利用阀门泄漏时产生的压力波,可以对管网的泄漏进行检测,为舰船管网的泄漏检测提供了新方向.消防管路系统是保障舰船正常航行不可或缺的一部分,其作用包括及时扑灭纸张、可燃液体、弹药军火、电气设备等引起的火灾;提供舰船设备的工作、冷却用水等[5].

杨振东[6]运用Flowmaster软件对输水管道的泄漏位置、泄漏点大小,阀门关闭时间等参数对管路中流体特性的影响进行研究.结果表明,泄漏位置与阀门距离影响较大,表现为离阀门越近,压力下降越快;泄漏点孔径越大,上游压力、流量下降加快;阀门关闭时间对管路内流体特性影响较小.郑帅真[7]运用Flowmaster软件对消防给水系统进行仿真,得到消防水泵压力与管内流量的动态曲线,并提出了设置减压孔板以缓解消防系统中可能会出现的超压现象.黄思[8]等人运用Flowmaster对消防供水系统进行仿真分析,结果表明,在相同的管路环境下,恒压泵可以提供更多的流量;使用恒压泵的管路压力变化受流量变化影响较小,从而可以提高消防管路的可靠性.张洵亚[9]等利用Flowmaster对分叉输水管道进行仿真研究,结果表明,通过监测压力畸变的时间,可以对管道泄漏进行位置判断,水击波峰值随泄漏点破口直径的增大而减小.Chen[10]等建立了管道瞬态计算模型,可以确定最小可检测泄漏孔径.Mosaheb[11]等通过对瞬态压力变化的监测,建立了一种可以及时发现早期泄漏的模型.

由于管路较长,管路中泵、阀门等元件较多,搭建实验台架所需时间较久,采用传统的经验公式计算工作量较大.Flowmaster软件中有完整的泵、阀门、管道弯头等组件,可以对管路进行建模并模拟仿真,分析泄漏点破口生成时间、泄漏点破口大小、泄漏点位置对管路中压力流量变化的影响.

1 管路建模理论基础

1.1 软件介绍

Flowmaster由英国Flowmaster公司与英国克兰菲尔德流体力学研究协会合作开发的一维流体仿真软件.软件的模块化设计使得建模变得简单高效,可以直接调用泵、阀门、管道等元件,大大节省了管路建模时间;软件可以用于计算管路的稳态与瞬态、可压流体与不可压流体、两相流等工况,还能与其他软件进行耦合仿真;软件仿真数据库包含了超过10 000 h的实验数据,因此仿真结果具有很高的精确度[12].

1.2 数学模型

在Flowmaster仿真过程中,可以将流体管路看作是由一个一个的管路元件组成,每个部件都遵守能量守恒方程与连续性方程.当流体流过管道、阀门、三通等元件,还会产生沿程损失与局部损失[13].

(1)

其中:hf为沿程损失,λ为沿程损失系数,由实验测得;l为管道的长度,m;d为管道的内径,m;v为管内流体的流速,m/s.

(2)

其中:hj为局部损失,ζ为局部损失系数,由实验确定.

整个管道中的能量损失hw为

hw=hf+hj

(3)

在Flowmaster中,所有的水力元件都看作是阻力部件,阻力部件的模型计算公式为

(4)

其中:ΔP表示压降,Pa;K为摩擦系数;A为管道横截面积,m2;Q为体积流量,m2/s.

对于像管道、阀门这样的两出口元件,可以用以下两个线性方程进行描述:

m1=A1P1+A2P2+B1

(5)

m2=A3P1+A4P2+B2

(6)

其中:m1,m2为进出口的质量,A1、A2、A3、A4、B1、B2为线性化系数.

根据连续性方程:

(7)

Flowmaster中,规定流体流出元件为正,那么由上述公式可得出方程(5)、(6)的线性化系数:

(8)

(9)

在管网模型中,任意流过节点的流体都遵循质量守恒方程:

(10)

2 某舰船消防管路设计方案

2.1 管路构造

某舰船消防管路布置呈“口”字型结构,管路庞大且较为复杂,管路遍及船体内部所有区域,船体消防管路布置如图1所示.当船内发生火灾,通过喷淋装置进行及时灭火;该管路还配备了舰船上其他设备的防护用水.管路由7个电动消防泵抽取海水,获得水源,管路中配有若干个隔离阀和若干个压力表.当管路中的压力出现异常,就近的阀门便开始动作,隔离异常点,以便及时对其进行检修.在管路中随机选取了几个具有代表性的泄漏点,泄漏点位置在图1中标出.

图1 船体消防管路图Figure 1 Ship fire pipeline diagram

2.2 实验设计参数

管路采用DN100管道,隔离阀采用三偏心蝶阀.正常工作时,泵出口有阀门来控制泵出口流量,管路内阀门全开,开度为100%,管内各参数如表1所示[14].全管道总长150 m,各部分管道按照比例分别计算管长.选取管路中最易发生泄漏的具有代表性的5个点,当泄漏点流量达到22.71 m3/h,则认为该点发生了泄漏.

表1 正常工况下管路内参数Table 1 Parameters in the pipeline under normal working conditions

3 稳态仿真

3.1 管路建模

消防管路中工质为海水,可视作不可压流体,在Flowmaster中选用Cylindrical Rigid管道,海水物性通过查阅GB/T 37753-2019 《表面式凝汽器性能试验规程》[15]可以得到,隔离阀选择Butterfly的TYPE C蝶阀,水源选用水箱来模拟.泵、弯管、三通等都可以在软件中找到对应的元件.

3.2 边界参数设置

在软件中主要用到不可压刚性管道、弯头、阀门、水箱等元件.按照给定的设计参数,设定各管段长度,弯头的损失系数设置经式(3)计算设定为0.01,主管道阀门全开,内径与主管道一样设置为0.095 m,设置水箱的压力为一个大气压,水箱高度为10 m,水箱内初始液面高度为5 m,截面积为1 000 m2.泵特性曲线由实验测得,如图2所示.

图2 泵特性曲线Figure 2 Pump characteristic curve

3.3 模型验证

搭建好消防管路仿真模型,首先需要对该模型进行验证,检验模型是否具有参考价值.分别计算了管路工作在-2 ℃与30 ℃工况下的管路内压力与流量变化,得到的仿真结果如表2所示.在设计极端工作条件下,管路内的压力值满足实验值.稳态仿真结果中流量值为0 m3/s,与实际相符,说明管路建模正确.

4 动态仿真

在稳态管路的基础上搭建了管路泄漏模型,泄漏点用空水箱、阀门、压力计以及流量计来模拟,将泄漏流量引入空水箱.用阀门打开的动作来模拟破口发生破裂的过程,泄漏点阀门开启时间对应破口生成时间;泄漏点阀门开度对应泄漏点破口大小.

4.1 破口生成时间对管路的影响

破口生成时间是指管道开始发生破裂到完全破裂所经历的时间.在稳态无泄漏情况下正常运行1 s后,管道开始破裂,其余参数保持不变,设定泄漏阀门分别在0.05、0.5、1s时完全开启.得到泄漏点和主管路内的流量、压力变化如图3所示.

图3 破口生成时间对流量、压力的影响Figure 3 Influence of crack generation time on flow and pressure

由图3(A)可知,破口生成时间越短,泄漏流量曲线上升的速率越快,最大泄漏流量与破口生成时间无关,为0.19 m3/s.从图3(B)可知,破口生成时间对最终稳定压力没有影响,最后都稳定在0.255 MPa.当破口生成时间取0.5 s和1 s时,管道的突然破裂会产生水锤效应,从而使压力出现小幅度的波动;当破口生成时间取0.05 s时,未出现水锤效应,这与文献[6]中的结果一致,由于破口产生时间过短,曲线发生“失真”,导致压力曲线部分特征信息的丢失.由图3(C)、图3(D)可知,主管路内流量、压力的变化滞后于泄漏点流量、压力变化,流量与压力曲线变化趋势较为平缓,主管路内流量最大值为0.021 m3/s,主管路内压力未受到水锤效应的影响,5 s时最低压力约为0.7 MPa.

4.2 破口大小对管路的影响

取泄漏阀门开度为0.1、0.3、0.5、0.7、0.9;管路从0 s时开始泄漏,观察泄漏点阀门在不同开度下泄漏点和主管路内流量、压力变化,如图4所示.

图4 破口大小对流量、压力的影响Figure 4 Influence of the size of the break on the flow and pressure

从图4(A)中可以看出,泄漏阀门开度越大,初始泄漏流量就越大,当泄漏阀门开度为0.9时,泄漏流量最大,为0.163 m3/s;当开度为0.1时,泄漏流量最小,为0.003 m3/s.当开度大于等于0.5时,流量曲线会发生不同程度的振荡,尤其是在开度为0.9时,振荡尤为明显.这是由于在管道发生泄漏时会形成水击波[16],水击波会顺着流体传播并逐渐叠加,在泄漏初期,管内流量较大,受水击波的影响很小;当流量下降到一定值时,此时管内压力已提供不了充足的驱动压头,而水击波的叠加增大导致对流量的影响增大,在曲线中就表现为周期性变化的振荡.从图4(B)中可以看出,随着泄漏阀门开度增大,泄漏点初始压力逐渐递减,当泄漏阀门开度为0.1时,泄漏点初始压力最大,为0.896 MPa;开度为0.9时,泄漏点初始压力最小,为0.268 MPa.在破口很大时,压力会出现“负压”现象,可见在泄漏过程末期,泵扬程已经不足以提供管道水头输送水所需的压力.

从图4(C)可知,主管路内流量主要在-0.02 ～ 0.04 m3/s区间波动,泄漏流量的振荡会引起主管路内的流量发生振荡.在泄漏阀门开度为0.9时,主管路内压力过低,使得流量发生倒流.从图4(D)可知,泄漏阀门开度较大时,压力不仅会出现负压,还会有瞬间增大的情况,在管路设计时需考虑这一因素,给管道承压留有足够裕度,避免管道因压力的振荡产生二次破裂.

4.3 泄漏点位置对管路的影响

在管路中随机选取了8个具有代表性的泄漏点,泄漏点位置在图1中已标出.泄漏点1、3靠近泵出口处;泄漏点2、5为主管道中易发生泄漏的点;泄漏点4为分支管路中易发生泄漏的点.在第10 s时管道发生破裂,第11 s时,破口达到最大值,整个泄漏过程持续250 s.得到泄漏点处以及主管路内流量、压力变化如图5所示.

图5 泄漏点处及主管路内流量压力变化Figure 5 Flow and pressure changes at the leak point and in the main pipeline

由图5(A)可知,当管路开始发生泄漏时,泄漏点处的流量骤然上升,最大泄漏流量为0.2 m3/s;当仿真时间大于37.5 s时,流量曲线开始振荡;在150 s之后,流量降低至0 m3/s,此时泄漏空水箱已充满.离泵最近的泄漏点3,其最大泄漏流量比泄漏点4最大泄漏流量大0.02 m3/s,这一现象说明,在泵附近处,流体对管道的冲刷更剧烈.由图5(B)可知,在发生泄漏时,压力先下降到0.118 MPa,再立即上升至0.2 MPa,然后缓慢下降;约40 s之后,压力也开始振荡,最后逐渐稳定在0.1～ 0.2 MPa.旁通管道处的最终稳定压力为0.151 MPa,比其余位置的最终稳定压力大0.04 MPa,在设计管路时需要适当增加旁通管路的承压能力.由图5(C)可知,最大泄漏流量为0.098 m3/s;受泄漏点流量振荡的影响,主管路内流量也开始出现振荡.从图5(D)可知,在泄漏中期50 s～100 s内,压力波动幅度大,在管道设计时可以添加相应的缓冲措施,以减小间歇性的压力突变,延长管道使用寿命.

5 结 论

通过Flowmaster对某舰船消防管路建立了一维管路模型,对比分析了稳态仿真结果与实验数据,验证了模型的正确性.接着对模型进行动态仿真,研究破口生成时间、破口大小以及泄漏点位置对管路水力特性的影响,主要结论如下:

1)泄漏流量最大值与破口生成时间无关;破口生成时间越短,流量、压力变化速率越快;在压力下降过程中,水锤效应会引起压力曲线的小幅度波动.

2)从破口大小对管路水力特性的影响来看,破口越大,泄漏流量初始值就越大,泄漏点初始压力越小;在流量、压力曲线下降到一定值时,水击波会使管内流量、压力曲线会产生振荡.在管路设计中需考虑到压力振荡过程对管道承压的影响,应留有足够的设计裕度避免管道发生二次破裂.

3)不同位置处的泄漏点发生泄漏时,其最大泄漏流量各不相同,结合压力信号可以对泄漏点进行位置判断.此外,位于泵处的管道泄漏流量较大,需增强该位置处管道的耐冲刷耐腐蚀能力;旁通管路的压力波动较大,因此其承压能力应略大于其他管路,以保证管路的安全性.