管系水力計算軟件開發

何春平 林楚霞

摘 要：本文利用Visual Basic語言編寫了一款可以進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等，輔助管系設計。

關鍵詞：Visual Basic；管系水力計算；管系設計

中圖分類號：U664.84 文獻標識碼：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

管系生產設計中，有時會遇到管路中流體實際壓力、流量不能滿足設計要求的情況。此時，傳統的方法只能根據粘性流體力學進行手工計算，驗證管系設計是否存在問題。但是，船舶管路長度長、形狀復雜，而用于水力計算的公式繁瑣，在校核流量時還需進行反復的迭代，導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現的功能，并輸入軟件計算時需要的已知參數，即可快速計算出結果，準確高效。

2 理論基礎

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

3 軟件開發

3.1 軟件結構

本軟件結構如圖1所示。

3.2 軟件功能

根據不同的輸入參數和計算結果，本軟件可實現下列三種功能：

（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。可用于確定泵的參數；

（2）管路入口壓力一定時，計算特定流體在該管路中的流量。可校核流量是否滿足設備要求；

（3）多支路管系流量或阻力損失計算。可用于復雜管系計算。

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，計算出雷諾數Re。再根據上文公式，計算沿程阻力損失系數λ；查表得局部阻力損失系數；按下式計算出管路阻力后直接輸出計算結果，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，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，如淡水駁運系統、冷卻水系統、壓載水系統、燃油駁運系統等。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臺用水設備組成，假定每臺用水設備皆位于該支路最高點，則設備之后的管路阻力可忽略不計，設備出水口水壓為零。每臺用水設備都有額定流量和阻力，設備實際流量只有不小于額定流量時，設備才能正常工作。因此，軟件以各臺設備額定流量為迭代初始值進行計算。計算過程中，根據各支路交點處壓力相同，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臺設備所在支路阻力Rn、R n-1。若Rn>Rn-1則增大第n-1臺設備流量；若Rn

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

依此類推，直到第1臺設備所在支管與另外n-1臺設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 計算結果顯示

計算結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值，計算中間值（如流速、雷諾數、沿程損失系數等）也將在獨立的區域顯示，方便使用者選取。

4 計算實例

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，水的運動粘度ν=1×10-6 m/s，d/R=1.1的90o的彎頭局部損失系數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，繼續上述步驟的計算過程，直到計算值與實際值差值在可接受的范圍內。

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

5 結論

本文利用Visual Basic語言編寫的管系水力計算軟件，實現了參數化計算船舶管系阻力和流量等功能，減少了手工計算量，計算快捷準確；對復雜的船舶管系進行簡化建模，可進行多支路管系的流體力學計算，計算結果可用于泵的選型或管系校核。