管路仿真在不同领域的应用

管路仿真在不同领域的应用

一、飞机上的管路仿真

1、飞机燃油系统管路冲击压力问题 研究背景

飞机燃油系统工作时 ，它是一个密闭的有压管道系统，由于外界因素，如阀门骤然关闭、燃油选择阀切换供油方向、燃油泵故障突然停止时，在管道长度较大的情况下，流体速度发生突然变化引起燃油动量骤然变化，作用在燃油管道上的压强就会局部猛增，并以压力波的形式在管内迅速传播和往返，不断捶击管壁，造成管道的振动和噪音。发生严重的冲击压力会造成燃油系统管道爆裂、管接头脱落断开、阀门破坏等故障，影响飞机飞行安全 。 冲击压力的计算和研究方法

冲击压力计算所需的基础数据 ： 管道流量、流速：设计最大流量；燃油流速。 燃油的物理特性：燃油密度、运动粘度、燃油的弹性模量等。 管道参数 ：管径 、壁厚、管壁粗糙度 ，管壁 弹性模量等。 ④燃油系统管道主要设备布置简 图：油泵数及工作方式 (并、串联)，油泵与阀门之间的距离 、泄放阀的位置以及相互连接关系图等。 几种仿真计算方法：

① 基于Flowmaster燃油管道系统冲击压力仿真计算

Flowmaster软件是全球领先的流体管网系统解算工具，是面向工程的完备的流体系统仿真软件，对于各种复杂的流体管网系统，利用Flow— master快速有效地建立精确的系统模型，并进行完备的分析。Flowmaster具备的分析模块可以对流体系统进行稳态和瞬态分析，可以对不可压缩 流体和可压缩流体系统进行分析。燃油管道系统 由泵、管道、接头、弯头、阀、引射泵、油滤等元件组成，这些元件在 Flowmaster的元件库中均能找到各自的数学模型，数学模型用形象的示意图来代表。每个物理元件的数学模型有一个数据输入表格 ，它定义该元件的输入、输出及特征参数。这就为 Flowmaster燃油管道系统冲击压力仿真计算 提供了极大的方便。但 Flowmaster作为一维流体仿真软件，与三维设计软件之间缺乏数据接口，只有通过对软件的二次开发，才能使计算模型的 更新与设计更改同步。例如结合 Catia、Excel等 软件，对 Flowmaster进行二次开发使模型从一维成为三维模型，更利于流体的三维仿真分析。 ②基于MATLAB新的弹性水击仿真计算方法

华北水利水电学院学报发表的“一种新的弹 性水击计算方法”是孟安波等基于 MATLAB软件提出的一种新的弹性冲击压力“e指数”计算方法，该方法不但易于将方程展开，不带来误差 ，而且易于建模仿真。该计算方法准确地反映了水击 压力极值点及整个动态过程 ，同时该方法将介质摩擦阻力对冲击压力的影响考虑在内，提高了计算精度，使用方便，实用性得到了提高。因为该计算方法需要准确的估算相应的摩擦系数值，才能建立含有摩擦因子的、精确的弹性水击计

算模型，提高水击计算的精度 。

参考文献：《飞机燃油系统管路冲击压力问题的研究》 施传家

2、基于FLowmaster的飞机压力加油系统管路设计仿真 计算仿真设定条件

(1)根据已有压力加油系统的初步构型，搭建仿真模型。系统管路布局差异、管 路走向、三通连接走向、各附件的损失系数等对仿真分析结果有着重要影响。 (2)假设压力加油源压力恒定，设其表压力为0．345MPa，

(3)假设选定燃油型号为Kerosene Nominal Properties(775kg／m3)，温度为20℃ t (4)在通往两机翼油箱的加油管路上设有限流孔以达到左右油箱平衡加油的目 的

(5)压力加油系统：飞机设有左右机翼四个整体油箱，左右各2组油箱，I组油箱载油量为4900kg，II组油箱载油量为5100kg，飞机满油油量为20000kg。飞机从空油箱加油到满油20000kg的时间不超过 20min，加油管径可保证加油系统导管内的燃油流速不大于7m／s，进入油箱的燃油流速不大于lm／s；

(6) 假设油箱大小：I组和II组油箱装载满油时高度均为0．78m，I组油箱的横

截面积，II组油箱的横截面积

，翼展长为40m。

仿真内容 计算内容

本报告现阶段仅针对正常压力加油状态下进行仿真计算，涉及内容 ：(1)同时向4组油箱加油满油限流孔匹配；(2)压力加油满油时间计算。 管路直径理论计算

加油管路在飞机机翼中的布局方式由飞机结构确定，因此加油管路长度尺寸可以 大致确定，现需要确定的尺寸为加油管管径。由飞机加油时间要求为从空油箱加 油到满油油量20000kg的时间不大于20min，以20min满20t油计算，加油总管

内的质量流量要求为：

为了保证体积流量能够完全满足质量流 量的要求，由于燃油的密度不是定值，因此以最小密度计算体积流量，燃油的最小密度为775kg／m (20℃)，计算得体

积流量为：

考虑加油管径必须保证加油系统导管内燃油流速不大于 7m／s，因此加油总管

直径(内 径 )D总必须大于：

通过限流孔保证从压力加油总管分出的 左右两路流量相等 ，支管直径 (内径)D 支 必须大于：

在经过左右支管，流入 I组和 II组油箱 前，需要流经压力加油活门前的支路，根据 I 组和 lI组油箱载油量的比例，进行分酉己流量 ， 则有： I组支管内径 DI必须大于：

II组支管内径 DII必须大于：

管路管直径确定

考虑设计余量，保证产品流速小于7m／s，同时考虑整个系统压力损失最小，加油时间尽量短，系统管路重量最优的目的，需要确定合理的加油管管径。首先初步确定加油总管直径，根据公式(2)和现有的加油接头尺寸GJB 60-85 及技术标准GJB 61-1985，本设计计算报告 按总管流速最大6m／s为设计值，则总管直径：

根据公式 (3)和系统损失和压力加油活I'qI作特性 ，设计余量为20％。初步确定支路管径D支为53mm。 根据公式 (4)、(5)和现有压力加油活门通径尺寸及工作特性，确定支路管径为40mm。为了保证进入油箱的燃油流速不大于1m／s，压力加油活门出口流通面积A应满足 ：

参考文献：《基于FLowmaster的飞机压力加油系统管路设计仿真》 黄万甲，王乐

二、船舶管路的仿真

1、船舶管路布置仿真

（1）研究背景：管路布置中的障碍一般指管路周围的设备、布置舱壁以及已布置好的管路等．在机舱中管路的设备和元部件成千上万且形状各异，非常复杂．船舶计 算机辅助设计与仿真以三维数字模型为基础，其中布置环境建模是进行管路布置 的准备阶段，建模的好坏对布置的算法及最终效果影响很大．在船舶3D 管路智能设计中，必须选择适当的模型表达方法并进行最大程度的模型简化，否则会由于要进行碰撞检测的障碍模型表面太多而无法处理，甚至使系统崩溃． （2）模型简化的步骤 初步简化

初步简化的目的是得到低级模型，保留原设备的主要几何特性，但几乎不包括几何之外的信息．使用自由形式几何体表达障碍，需要为检测障碍的边界进行大量的计算工作，不适用智能设计算法．但此类模型在仿真设计中也非常重要，用在后期的可视及虚拟仿真中，可体现更高的真实性和仿真的相似性，在制作设备模型库时经常用到．图 3为1个空气瓶经初步简化后的模型．

深度简化

初步简化模型对3D布置的智能算法很复杂． 由于3D布置考虑的是设备、平台或管路所占的空间体积，而不是具体形状，在实际布置时可对模型作进一步简化，见图4。

参考文献：《船舶管路仿真模型简化》 邹玉堂、任光、路慧彪

三、车辆管路仿真

1、管路模型的建立

图3为某国产井下无轨轮式车辆全液压制动系统液压管路部分的示意图。在考虑了车辆的结构、布置位置和技术参数等要求后，该车辆制动系统全部采用普通液

压软管且管路较长，如从蓄能器到制动阀的连接软管1、制动阀到制动轮缸的连接软管2长均为4m。根据图4的功率流方向、因果关系以及相关规则，可以得

到全液压制动系统液压管路的状态方程：

等效弹性模量K可以表示为：

2 管路动态特性仿真与分析

由全液压制动系统的示意简图，可分别建立蓄能器、制动阀、制动轮缸的数学模型。再联合液压管 路的状态方程，可建立包含液压管路的全液压制动系统的 Simulink仿真模型，如图5所示。通过仿真计算，分析了蓄能器出口处与制动阀人口处、制动阀出口处与轮缸入口处的压力变化和流量变化，然后在考虑了管路动态摩擦阻力的情况下，分别改变了等效弹性模量(软管与硬管)、 管路长度、管路直径中的一个，其他不变，来考察管路参数对建立制动轮缸内压力的影响。

参考文献：《工程车辆全动力制动系统液压管路建模与仿真》 高成国、林慕义、侯金平

四、空调压缩机管路系统仿真

1、研究背景：

空调配管动力学分析振动系统的固有特性，包括模态分析以振动理论为基础模态 参数为目标的分析方法，研究激励、系统、响应三者之间的关系。利用仿真平台在现有设计经验基础上进行仿真改变，直接得到所需要的预测结果，对存在不合理的设计参数进行ANSYS分析处理优化和纠正改善，同时通过减少管线的长度或直径以及壁厚等降低材料成本。

2仿真优化 （1）模态分析

模态分析主要用于计算管路结构模型的振动特性及固有频率和振型。本文研究正常运行时工作频率为48Hz的压缩机，原管路模型固有频率列表见表1． （2）谐响应分析

谐响应分析主要用于计算给管路系统施加周期性的力矩载荷与压力脉动通过傅里叶变换得到影响振动的主要频率、对应扭矩和相位角，进行模态叠加获得系统响应。见表2，表3。

（3）位移与应力分布云图从表3 表4、图3结果分析来看：

压缩机在48Hz下工作时，吸气管靠近储液罐区域的弯头处和排气管靠近压缩机排气口区域的弯头处应力比较；优化方案与原机方案相比，第l4阶固有频率由49．36Hz略减小到48．48Hz。优化后方案排气管最大吸气管应力略减小，排气管应力略增加。整机位移略减小 。

参考文献：《空调压缩机管路系统仿真设计优化与分析研究》 王 春 、崔松林

小结：

通过浏览与管路仿真相关的论文题目，我大致找到了与之相关且研究较多的几个方向，如本文所列：飞机、船舶、车辆、空调等。当然，在化工相关行业也有很多管路仿真的模型。我仔细查阅了其中的六篇论文，发现管路仿真的研究多是为解决一些在日常使用中存在的不安全或不实用的问题，或是为了改进现有的一些不是很先进的方法。在仿真设计研究中，自动化仿真是一种方法，但最基础的还是相关管路的分析计算。

在飞机方面的应用主要为消除飞机飞行过程中燃油管道上压强增大导致危险结果的隐患，通过仿真设计，可以控制管道内流量流速，使其保持在一个安全稳定的情况下。

在车辆方面主要用于制动系统的研究，建立了包含有动态摩擦项的液压管路分段集中参数模型，通过对模型的动态仿真，解决车辆制动时存在制动响应速度过快或过慢、制动踏板力与制动力矩作用不同步等现象，从而保证车辆行驶安全。 管路仿真在其他很多方面也会用到，如柴油机、换热器等。