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AFT Impulse软件在水锤计算分析中的应用介绍

发表时间：2017-10-27T14:36:58.050Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第15期 作者： 徐正1 霍玉龙2 王自强3

[导读] 简述了采用的水锤分析软件，并进行了对比；论述了AFT Impulse水锤计算软件使用注意问题，建模时的顺序，单位的使用，以及输

入参数的控制。

河北省电力勘测设计研究院 石家庄 050031

摘要：简述了采用的水锤分析软件，并进行了对比；论述了AFT Impulse水锤计算软件使用注意问题，建模时的顺序，单位的使用，以及输

入参数的控制。

关键词：AFT Impulse；水锤；压力；Cv值；建模；暂态；稳态

水锤分析是厂外补给水管道设计中非常重要的内容，是管道设计压力确定、管材选择、进排气阀的设置、气压罐的设置的依据。

1 水锤基本概念及防护措施

1.1 水锤的概念

水锤现象，在压力管流中因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现

象。这种现象是由水流的惯性，以及水具有可压缩性造成的。

1.2 水锤的危害

水锤现象的延续时间虽然短暂，但是会造成严重的工程事故，如装有离心泵的泵站，突然停泵时，压力管中产生压力下降，随后升高

的现象，称为停泵水锤，会造成阀门、管道、水泵叶轮被撞击损坏的现象。更有甚者，水淹泵房、供水中断、人员伤亡。

1.3 水锤的预防措施

水锤防护措施，都有一个共同的目的，降低泵管系统中流速变化（下降）的速度。

目前已有多种防护措施来解决由于降压波的发生与传播开始的水锤压升问题，其出发点多数是简历在对停泵水锤危害的早期防治上，

归纳为四种类型：

一、注水或注空气稳压，从而控制住系统中的水锤压力振荡，防止真空和断流空腔再弥合水锤过高的升压。如单向调压塔、单向调压

水池、空气罐、进排气阀、双向调压塔。

二、合理选择阀门、延长其启闭历时。如液控蝶阀、缓闭止回阀等。

三、泄水降压，避免压力陡升。如水锤消除器、防爆膜、设置旁通管、取消止回阀等。

四、其他类型。如增大水泵的转动惯量、增装惯性飞轮、较长输水管路中增设止回阀等。

2 水锤分析软件

2.1 AFT Impulse

AFT Impulse是一款强大的流体动态分析软件，可计算管网中由水锤引起的瞬态压力。AFT Impulse可对不可压缩流体和可压缩流体进

行瞬态分析，包括水、汽油和其它精炼油品、化工产品、冷冻剂、制冷剂等不可压缩流体和包括高压蒸汽、压缩空气等可压缩流体的管网

系统，是可帮你确保管网系统安全可靠的必要工具。其广泛应用于化工、电力、石化、造船、航空、制药等行业的各类系统中。

AFT Impulse动态流体分析软件包括解决压降、流量平衡、水锤及汽锤等几个方面，包括稳态和暂态计算两个部分，而暂态计算的水

锤部分主要解决液态流体系统水锤及压力骤增分析，预测系统内的最大、最小压力点，预测水泵的流量、扬程等。

2.2 Bentley Hammer

Bentely Hammer用户可以选择使用内置稳态引擎来自动计算初始条件或输入稳态数据。并且具备多平台界面，包括独立版本界面，

AutoCAD、ArcGIS和MicroStation平台集成界面。

Bentely Hammer提供动态数据查看，即在毫秒级的时问序列连续变化过程中，观察整段管线中压力的变化过程，以此观察压力波动的

产生，发展和延续的过程，对于压力变化和如何设置保护提供了全过程数据分析支持。

Bentely Hammer提供压力变化过程的动态查看，并且在每一个步长、管段每一个位置精确计算压力变化的模拟数据，提供过程分析的

数据支持。

2.3 MATLAB

MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。目前MATLAB已经成为

国际最为流行的科学与工程计算的软件之一，已成为控制系统设计和仿真领域最受欢迎的软件系统。MATLAB能够将计算的结果以二维、

三维乃至四维的图形表现出来，把计算数据的特征表现得淋漓尽致。MATLAB还提供了一个Excel Link插件，利用它可以直接在Excel环境

下完成MATLAB的数据传输，并运行MATLAB命令。

2.4 PIPE2010：Surge

该水力分析软件所应用的水锤波特征方程源于弹性水柱理论的两个基本方程，数值求解方法采用拉格朗日波特性法，建模过程以节点

和管段的稳态计算结果为基础，可对水锤进行瞬态精确计算和实时跟踪，以图表形式直观明了地呈现结果。可计算包括压力、流量、进排

气有效口径、水损及水泵转速等多项参数，并输出这些参数的最大值、最小值和稳态值及相应的发生时间等，从而为采取压力防护及消除

措施提供依据。

2.5 FLOWMASTER

Flowmaster是面向工程的流体系统仿真平台，广泛应用于能源动力、航空航天、汽车、船舶等行业的各类流体系统。

该软件提供压力、温度、流量等参数的预测；可以稳态分析、瞬态分析、换热分析；可以用于可压缩流体和不可压缩流体的计算分

析。

3 AFT Impulse软件应用

3.1 建立计算模型

AFT Impulse提供了SI及英制两种单位系统，对于国内用户而言，英制单位使用不便，会让用户很难分析计算结果，所以，用户在建

模之前，应首先进行单位的设置，设置为SI单位系统。

AFT Impulse建模非常简单，只需要将软件中图标左键按住，拖动到模型区域即可，为了建立的模型整齐美观，建议用户打开格栅功

能。

3.2 模型参数的输入

AFT Impulse提供的junction元件，根据元件的不同，必须输入的数据也都不一致，必须输入的参数均用“蓝底”标示。例如水箱输入液

面标高即可。

阀门的状态若选择“关闭”，瞬时特性输入时，初始状态Cv值应该为0。若选择k值，初始状态应该为最大值。

为了降低瞬态计算时的运行时间，一定要根据管道的布置情况，适当调整最短管道的长度，不要按照实际的管道长度来输入管长，例

如两个阀门之间的距离仅有0.35m，但是绝不能将这个长度输入这个模型中，否则暂态运算时间高达5个小时。对应长距离输水管道来俩，

有的管段长度达到1200m，推荐最小的建模管段取5m或10m，而且其他管段也不必取其准确值，建议管段长度尽量取整，管长为尾数为0

或5，可以大大减少模型分析计算的时间。

3.3 流体特性的确定

AFT Impulse提供的junction元件，根据元件的不同，必须输入的数据也都不一致，必须输入的参数均用“蓝底”标示。例如水箱输入液

面标高即可。

3.4 计算分析及模型调整

在进行transient运算之前，建议首先进行steady运算，这样可以检查出输入标高的人为误差，检查稳态计算中最大压力点及最低压力

点是否合理，若有误差及时修正，否则，无法进行暂态计算。当然，若暂态运算报错时，可以返回到稳态计算中，稳态计算相对简单，而

且计算时间非常短，用于检查人为输入误差非常方便。

进行暂态运算时，“慎用”管段合并功能，因为这样虽然可以降低计算时间，但是会改变模型的外形，很多一般节点被合并，不便于模

型与实际管道的观察对比。笔者在软件应用中曾出现过这种情况，花费2天建立的模型，采用管段合并功能后，模型作废，无法恢复的情

况，不得不重新建模，输入节点及管道的参数。

在暂态运行调整中，止回阀若不设置暂态信息，止回阀后的一段管道会是最高点。所以，虽然止回阀的暂态信息不是必填项，但是推

荐完善止回阀的暂态信息。

水泵的参数，不仅需要水泵的曲线特性，还应该选择在泵前设置止回阀，否则，泵出口的管道压力会出现最大点。

4 结论

（1）AFT Impulse水锤分析软件界面简单，便于操作。

（2）软件的输入数据“蓝底”为必须输入的数据，非“蓝底”文本框可以忽略。

（3）国内用户单位建议选择SI单位。

（4）长距离输水管道推荐最小建模管段长度取5m或10m，管道长度取10的倍数。

（5）进行暂态运算时，“慎用”管段合并功能。