AFT Fathom軟件在船舶系統設計中的應用

季同盛，韓 嘯，孫興亮

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

1 前言

液化氣船較常規船型而言，其管系設計中的消防水﹑中央冷卻水﹑海水冷卻等系統的管徑設計﹑流量分配計算﹑壓降校核計算﹑泵設計選型等具有相當的特殊性和復雜性。通常在設計時往往選擇大管徑﹑高揚程﹑大流量的泵，這不僅占用了船舶的有限空間，更提高了建造成本。本文針對某型液化氣船的液貨海水系統進行管道模型分析，通過減少節流孔板流通面積的方法，解決了海水出口氣體探測裝置無海水流通的問題。

2 AFT Fathom 軟件介紹

AFT Fathom軟件為美國AFT 公司開發，目前已快速成長為船舶管道流體模擬分析軟件市場上的領導者。該軟件在管徑計算﹑壓降計算﹑流量分配計算上極其方便，能模擬各種工況下的計算結果，并能根據模型出現的問題給出解決方案，從而為船舶系統的設計提供可靠的依據。

AFT Fathom軟件使用修正后的牛頓- 拉夫森矩陣迭代方法和AFT 開發的專有管道流量求解方法，在場景管理器中模擬各種工況，其模型無大小限制，可模擬開式﹑閉式系統。

AFT Fathom軟件穩態分析時，使用的連續性方程和質量守恒方程如下：

（1）管道中沿程阻力損失計算，使用Darcy-Weishach公式：

（2）節點間的總壓力變化，使用Bernoulli方程：

（3）阻力計算方法如下：

① 管道的沿程阻力損失與管道的粗糙度有關，粗糙度可以是絕對粗糙度（使用長度單位），也可以是相對粗糙度（絕對粗糙度與管徑的比值）；

② 在層流區，使用如下方程計算阻力系數：

③ 在紊流區，使用Colebrook-White方程計算阻力系數：

④ 管件的局部阻力損失，使用如下公式：

目前該軟件在國內使用較多，如：大連造船公司用AFT Fathom 分析設計船舶消防和冷卻系統，在消防系統設計中選擇恰當的管徑﹑泵﹑閥門﹑噴淋頭等元件，以滿足流量和壓力要求；滬東中華造船公司用AFT Fathom 分析設計LNG船裝卸系統，選擇合適的管徑和確定泵的選型，從而保證了裝貨系統和卸貨系統中管系的壓力降﹑各液貨泵的裝貨卸貨率﹑管路中液貨流速；外高橋造船公司用AFT Fathom分析設計981深水半潛平臺，通過在主路設置孔板節流來控制水量分布，并將主環路管徑優化至12 in，解決了因管徑過大給安裝和檢修帶來的不便等。

在國外TGE﹑WGS﹑LEG三大液貨系統廠家，均使用該軟件核算系統詳細設計中的管徑大小和設備選型。

3 AFT Fathom軟件工程應用

3.1 液貨海水系統原理

如圖1所示通過位于機艙的2臺液貨海水冷卻泵，將海水抽送到水乙二醇冷卻器﹑LPG冷凝器﹑制冷劑冷凝器等，對液化設備進行換熱，最后排至舷外。

圖1 海水系統原理圖

我司在實船建造時，發現流經液貨管路的海水出口探測裝置沒有反應，排往舷外的海水沒有經過該液貨海水探測裝置直接排出去，故使用該軟件進行分析。

3.2 軟件模型

根據實際管路放樣，對液貨海水系統進行建模，其中管道及主要元件參數參照軟件自帶阻力系統，液貨設備壓降值設定由廠家給出，具體分別見下表1﹑表2，計算模型見圖2。

表1 管道參數

表2 設備參數

圖2 計算模型

3.3 模型計算結果

計算結果顯示當海水經LPG加熱/蒸發器排出舷外時，管件號37﹑38流量為負值，即無海水流向氣體探測裝置，計算結果如圖3。

圖3 探測裝置管路計算結果

查看模型，發現排往舷外的海水出口管相對高度為12 350 mm，而海水探測裝置的高度為23 281 mm，流經該三通處的壓力過低，由于液體的自重流導致海水無法流至探測裝置。

3.4 解決方法

可通過在排舷外的海水管路上添加節流孔板，來限制海水往排水管的流量。在軟件中通過添加調控閥，設置經過該閥門的壓損為10 m，軟件計算結果顯示有海水流向氣體探測裝置。軟件計算在DN450的管路﹑壓損10 m的調壓閥，對應孔板的當量直徑為248.5 mm。因此根據軟件計算結果，現場將現有的節流孔板進行更換，發現氣體探測裝置有海水流通。

4 總結

該軟件在系統建模﹑網格劃分﹑求解和優化設計等方面使用方便，軟件計算結果與實際狀況符合。使用該軟件能有效進行管道管徑計算﹑管道壓降計算，給前期的設備選型﹑管徑選擇等提供有效的理論依據。