管系水力計算軟件開發(fā)

何春平 林楚霞

摘 要：本文利用Visual Basic語言編寫了一款可以進(jìn)行管系水力計算的軟件，用于校核管系流量、選取管徑和泵的參數(shù)等，輔助管系設(shè)計。

關(guān)鍵詞：Visual Basic；管系水力計算；管系設(shè)計

中圖分類號：U664.84 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper describes the development of a software for piping hydraulic calculation with Visual Basic language， which will be used to assist piping design， such as to check the flow of piping system and to choose the pipe dimensions and the pump parameters，etc.

Key words： Visual Basic； Piping hydraulic calculation； Piping design

1 前言

管系生產(chǎn)設(shè)計中，有時會遇到管路中流體實(shí)際壓力、流量不能滿足設(shè)計要求的情況。此時，傳統(tǒng)的方法只能根據(jù)粘性流體力學(xué)進(jìn)行手工計算，驗(yàn)證管系設(shè)計是否存在問題。但是，船舶管路長度長、形狀復(fù)雜，而用于水力計算的公式繁瑣，在校核流量時還需進(jìn)行反復(fù)的迭代，導(dǎo)致手工計算過程耗時耗力、出錯率較高。

本文針對上述問題，利用Visual Basic語言編寫了一款管系水力計算軟件。使用者只需在軟件界面選擇其所要實(shí)現(xiàn)的功能，并輸入軟件計算時需要的已知參數(shù)，即可快速計算出結(jié)果，準(zhǔn)確高效。

2 理論基礎(chǔ)

管系水力計算的核心問題是確定沿程損失系數(shù)和局部損失系數(shù)。局部損失系數(shù)可通過查表快速得出；手工計算沿程損失系數(shù)時，一般根據(jù)流體雷諾數(shù)、管徑和管壁粗糙度查詢莫迪圖得出。

3 軟件開發(fā)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

本軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 軟件功能

根據(jù)不同的輸入?yún)?shù)和計算結(jié)果，本軟件可實(shí)現(xiàn)下列三種功能：

（1）已知特定流體在管路中的流量，計算該流體在管路中損失的壓頭?？捎糜诖_定泵的參數(shù)；

（2）管路入口壓力一定時，計算特定流體在該管路中的流量?？尚：肆髁渴欠駶M足設(shè)備要求；

（3）多支路管系流量或阻力損失計算?？捎糜趶?fù)雜管系計算。

3.2.1 阻力損失計算

計算阻力時，讀取在阻力計算界面中輸入的流量和管路參數(shù)，計算出雷諾數(shù)Re。再根據(jù)上文公式，計算沿程阻力損失系數(shù)λ；查表得局部阻力損失系數(shù)；按下式計算出管路阻力后直接輸出計算結(jié)果，即為總阻力損失。

3.2.2 流量計算

計算流量時，讀取在流量計算界面中輸入的流量初始值和管路參數(shù)，按照上述方法計算出管路阻力Rc，并與界面中輸入的阻力值Rp進(jìn)行對比。若Rc>Rp則增加流量，每次增加的流量值為輸入的步長；若Rc

3.2.3 多支路管系計算

多支路管系是船舶管系最常見的系統(tǒng)，如淡水駁運(yùn)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓載水系統(tǒng)、燃油駁運(yùn)系統(tǒng)等。計算多支路管系時，先將管系簡化為計算模型（如圖2中所示）。該模型主要由n路支管和n臺用水設(shè)備組成，假定每臺用水設(shè)備皆位于該支路最高點(diǎn)，則設(shè)備之后的管路阻力可忽略不計，設(shè)備出水口水壓為零。每臺用水設(shè)備都有額定流量和阻力，設(shè)備實(shí)際流量只有不小于額定流量時，設(shè)備才能正常工作。因此，軟件以各臺設(shè)備額定流量為迭代初始值進(jìn)行計算。計算過程中，根據(jù)各支路交點(diǎn)處壓力相同，使用伯努利方程迭代求解各支路流量。

計算過程中，首先計算出管系末端第n臺和第n-1臺設(shè)備所在支路阻力Rn、R n-1。若Rn>Rn-1則增大第n-1臺設(shè)備流量；若Rn

然后，將這兩臺設(shè)備組成的管路作為一路支管與第n-2臺設(shè)備所在支路進(jìn)行迭代計算，其阻力分別為C1、R n-2。當(dāng)C1與R n-2誤差大于設(shè)定的閾值時，若C1>R n-2 則增大第n-2臺設(shè)備流量；若C1

依此類推，直到第1臺設(shè)備所在支管與另外n-1臺設(shè)備組成的管路迭代計算完成之后，方可求出管路的總流量和總阻力。

3.3 計算結(jié)果顯示

計算結(jié)果在軟件界面的灰色文本框中顯示。除了提供各個計算功能的目標(biāo)值，計算中間值（如流速、雷諾數(shù)、沿程損失系數(shù)等）也將在獨(dú)立的區(qū)域顯示，方便使用者選取。

4 計算實(shí)例

由于多支路管系的手工計算過于冗長，限于篇幅，下面以簡單管路為例驗(yàn)證軟件計算的正確性。

一條鍍鋅管路，已知管長l=120 m、管徑d=0.2 m，管路有10個90o的彎頭，彎頭彎曲半徑R=0.22 m，管路入口泵的水頭為6.5 m、出口水頭為2 m，出口與入口高差1.5 m。計算該管路中水的流量。

查表得鍍鋅管管壁絕對摩擦度為ε=0.39 mm，水的運(yùn)動粘度ν=1×10-6 m/s，d/R=1.1的90o的彎頭局部損失系數(shù)ζ=0.355。

由于總阻力損失計算值，因此管路中流量需加大。試取Q=170 m3/h，繼續(xù)上述步驟的計算過程，直到計算值與實(shí)際值差值在可接受的范圍內(nèi)。

經(jīng)過3次迭代之后，當(dāng)Q=190 m3/h、h1=2.92 m時， h1h =0.97，誤差在允許的范圍內(nèi)，此值即為所求的流量。

5 結(jié)論

本文利用Visual Basic語言編寫的管系水力計算軟件，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化計算船舶管系阻力和流量等功能，減少了手工計算量，計算快捷準(zhǔn)確；對復(fù)雜的船舶管系進(jìn)行簡化建模，可進(jìn)行多支路管系的流體力學(xué)計算，計算結(jié)果可用于泵的選型或管系校核。