FlowSystem软件元件库的开发与应用

杨澜 YANG Lan；程会方 CHENG Hui-fang；陈健华 CHEN Jian-hua

（上海核工程研究设计院股份有限公司，上海 200233）

0 引言

核电厂涉及上百个不同功能的工艺系统，技术难度高，且安全问题尤其重要。这些不同功能的系统自身结构复杂，由各类管道、管件、设备、测量和控制仪表等构成了繁杂庞大的管网，对核电厂的研究与设计具有重要影响。因此，对核电厂各系统进行仿真分析，得到各系统的流动特性以评估系统设计方案、系统运行工况、流体设备性能、运行规程等，可以更好地改善及优化各系统的设计，进而提升核电厂运行的安全性和稳定性。

核电涉及的元件种类众多，元件库的完整性及计算参数的设定直接影响计算模型的搭建，是流体管网计算中极为重要的一环。目前较为主流的管网仿真分析软件有Flowmaster、Fathom 等[1]，这些软件为通用管网仿真软件，而非针对核电开发。核电厂中的管道、管件、设备、测量和控制仪表等种类繁多[2]，而核电厂由于其特殊性，又包含一些核电厂专用的元件如稳压器、蒸汽发生器、鼓泡器等，有必要开发更适合核电设计的元件库。

FlowSystem（以下简称FS）作为一款国产系统级管网仿真软件，为国内核电及其他领域的流体管路设计提供了更多的选择。FS 收集了核电设计中不同专业的流体仿真需求，并收集核电设计过程中的实际算例作为元件验证算例，开发设计了更贴合核电设计的元件库。该元件库串联起不同的元件、标准及求解器等，形成了闭环的计算体系。据此，本文将介绍FS 软件元件库的开发及其应用。

1 FS 元件库的开发

本课题开发的系统级管网仿真分析软件，对流体管网系统的设计进行定性和定量的分析以及优化设计。通过软件对系统进行精确的压力、流量、流速、温度分析，快速优化设计，帮助企业降低生产成本，提高产品性能，缩减产品开发时间和试验次数，提高系统设计质量。对于各种复杂的流体管网系统，工程师可以利用该软件快速建立系统模型，进行各种类型的分析，并能便捷地实现数据的存取、调用，基于各种历史数据和实际经验数据提高流体管网系统分析的准确性。

FlowSystem 软件计算的基础便是多种多样的元件，在此基础上通过不同组合实现不同工况、应用背景的场景的模型还原，因此元件库的开发和扩展在软件的开发过程中占据相当大的比重，是核心模块。FS 在元件库建立的前期工作中收集了各专业各系统的流体管网仿真需求，涉及如主系统、各辅助系统、暖通专业、给排水专业等，针对各专业计算需求，开发设计了上百种不同元件。元件列在FS 左侧工具栏内，如图1 所示，分为源、节点、管道、通用弯管、管连接件、三通、四通、阻力元件、孔口元件、阀门、传导元件、容器、过滤器、换热元件等，共一百多种。此外，FS 针对核电设计需求开发的特殊元件有风管元件、空调元件、消防元件、蒸汽发生器、鼓泡器等，这些元件与其他元件一起整合在工具栏内，方便用户计算。

图1 元件库界面

元件库开发的基本功能包含界面功能、元件参数设置功能、元件关系功能及计算结果查看功能。界面功能支持元件的新建、拖拽、复制、删除、对齐等。每个元件均具有设置功能，用户可设置如元件的几何参数、适用的标准等。FS可识别元件之间的逻辑关系，为计算复杂的管网做准备。元件包含计算结果查看功能，包括稳态和瞬态的计算结果查看。

流体管网计算中，不仅需要包含完整的元件种类，各元件涉及的算法、标准等也极大地影响着计算结果。FS 元件支持多重标准计算，在元件参数设置框中有对应的标准选择栏，用户可根据自己的需要针对特定元件选择需要的标准进行求解计算。此外，FS 也支持用户自定义曲线。用户可按照规范导入形式将数据导入数据库，将曲线横坐标作为用户输入参数，求解器会调用此曲线，根据用户输入进行插值计算调用。自定义曲线配合阻力元件使用，可形成自定义阻力元件，满足用户的多种计算需求。

FS 元件库的元件种类基本涵盖了核电系统设计涉及的元件种类。其元件又包含了常用的可自定义的标准曲线及参数，因此FS 元件库既能进行简单算例的计算，如泵性能的计算、阀门开关时的压降变化[3]等；也能满足以核电工艺系统为单位的计算要求，如主系统、各类辅助系统、各类废物系统、各类暖通系统和各类给排水系统等。目前该软件元件计算已有各类验证工作并完成相关验证报告。该验证工作选取核电设计工作中的实际算例，旨在满足核电设计中的流体管网计算需求。

2 FS 元件库的应用

元件库为真实流动模型提供丰富的系统组件，用来完成单管道系统的分析和多支路系统的分析。系统开发并集成多种不同的阻力/源选项，用于模拟分支中的动量源或汇。这些选项包括：一般管道、方形/椭圆/扇形截面管道、管道（含出入口损失）、薄孔口、厚孔口、一般阀门、泵（给定性能曲线），泵（给定功率）、控制阀门、换热器和可压缩流孔口等。用户通过元件分类标签，鼠标左键单击拖动元件至模型窗口，打开元件配置选项对其参数进行具体的设置，设置完成边界条件及各种元件参数后，即可点击求解计算完成，并查看计算结果。图2 展示了包含出入口、管道及孔板的简单算例。

图2 简单算例

用户在使用FS 构建的元件库时，其中最重要的一点就是定义元件的参数。元件的参数多种多样，主要参数有尺寸和数据表。对于元件涉及的标准，软件进行了归纳整理并形成固定选项栏在元件界面进行显示，让用户自行进行选择，并支持相同元件不同标准的计算求解，如图3所示。

图3 元件参数设置页面

此外，软件支持用户在数据库中自定义元件涉及的参数曲线，以便适应多种计算情况，见图4。流体系统中若存在流固耦合传热时，其中包含的导体包括固固传导、流固传导、固体环境传导、辐射传导等。固固传导中包含的参数有传导面积和传导距离；流固传导中包含的参数有换热面积和换热系数。

图4 数据库曲线设置页面

各元件参数设置完毕，求解计算完成之后，可生成计算结果报告进行查看。图5 展示了计算结果报告中的一节，计算结果以表格的形式展现，该节展示了图2 算例中编号为9 和10 的圆管中流体的流速、压降、雷诺数、损耗系数等计算结果。

图5 计算结果显示

3 结论

目前较主流的流体管网仿真软件的元件库仅包含通用元件，而非针对核电开发。而核电由于其特殊性，需要使用大量的专用特殊元件，有必要针对核电设计需求开发元件库。FS 软件收集核电设计需求，开发了更适合核电设计的元件库。该元件库包含上百种不同的元件，基本涵盖核电工艺系统所涉及的元件，包含了如风管元件、空调元件、消防元件、蒸汽发生器、鼓泡器等核电设计需要的特殊元件。由于核电厂的特殊性，针对核电厂开发流体管路仿真分析软件，可以使其元件库更贴合核电设计，为国内核电设计提供重要的计算工具。