高翔，張坤壯

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北　武漢　430205

典型管網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)的隨機(jī)負(fù)載仿真

高翔，張坤壯

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430205

為了檢驗(yàn)?zāi)愁愋痛凹泄┧芫W(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和驗(yàn)證數(shù)字仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了一套典型管網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng).典型管網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)以某型船舶集中供水系統(tǒng)的典型供水單元為藍(lán)本，采用了差壓式減壓閥來模擬實(shí)際管網(wǎng)的純水頭差，采用節(jié)流閥來調(diào)節(jié)流動(dòng)阻力損失，從而達(dá)到權(quán)衡考慮試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)性與試驗(yàn)結(jié)果有效性的目標(biāo).設(shè)計(jì)了一套可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)各支管的阻力特性與負(fù)載流量，檢測(cè)與記錄管網(wǎng)上各重要部位的壓力與流量.通過PLC編程，利用線性同余發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)對(duì)負(fù)載的隨機(jī)控制，并對(duì)隨機(jī)負(fù)載下的每層支管的壓力與流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.試驗(yàn)結(jié)果表明，在隨機(jī)負(fù)載的作用下各層支管末端的流量都充足，末端出現(xiàn)供水不足的估計(jì)概率很低，從而驗(yàn)證某類型船舶集中供水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的，在設(shè)計(jì)中進(jìn)行的數(shù)字仿真結(jié)果是比較準(zhǔn)確的.

典型管網(wǎng)；仿真；隨機(jī)數(shù)

1　引言

船舶中存在許多復(fù)雜的管路系統(tǒng)，典型的有海水系統(tǒng)、中央冷卻水系統(tǒng)、滑油、燃油、壓載水等管路系統(tǒng).船舶管網(wǎng)系統(tǒng)水力特性指管網(wǎng)流場(chǎng)中壓力和流量的關(guān)系.船舶管網(wǎng)系統(tǒng)水力特性是水力計(jì)算、系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等工程應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，研究船舶管網(wǎng)系統(tǒng)水力特性是解決船舶管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用問題的前提.

船舶特別是大型船舶的日用淡水管網(wǎng)系統(tǒng)是比較復(fù)雜的，因此設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)通常將復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)按船舶分段區(qū)域劃分成幾個(gè)或十幾個(gè)獨(dú)立的管網(wǎng)子系統(tǒng)，分別配套獨(dú)立的集中供水單元，也稱為獨(dú)立的供水站［1-2］.

船舶日用淡水系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中包括兩個(gè)內(nèi)容，一是管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，二是集中供水單元的性能指標(biāo)參數(shù)的確定.對(duì)于不同的管網(wǎng)系統(tǒng)，首先要進(jìn)行流動(dòng)阻力特性的計(jì)算與仿真，再根據(jù)計(jì)算仿真結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)確定配置多大流量和多大揚(yáng)程的供水單元才能滿足使用要求，從而確定集中供水單元的性能指標(biāo)要求［3-4］.

為此，選擇大型船舶供水管網(wǎng)系統(tǒng)中的一個(gè)典型管網(wǎng)進(jìn)行研究，建造一個(gè)典型管網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)，為設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)大型船舶管網(wǎng)系統(tǒng)提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2　船舶典型管網(wǎng)的確定

考慮到設(shè)計(jì)大型船舶的生活用水管網(wǎng)比較復(fù)雜，分成12個(gè)供水管網(wǎng)子系統(tǒng)，各配置一套供水單元；為此將其中的一個(gè)作為船舶典型管網(wǎng)進(jìn)行研究.它包括一根立干管和8層橫支管（從低層向高層分別編號(hào)為#0～#7甲板支管）；將#0、#1、#2和#3甲板支管并聯(lián)匯接至低區(qū)集管上；將#4、#5、#6和# 7甲板支管并聯(lián)匯接至高區(qū)集管上；設(shè)置低區(qū)集管和高區(qū)集管的目的是為了均衡各支管的流量和壓力，以及減少壓力波動(dòng)與管路振動(dòng)；高區(qū)集管與低區(qū)集管之間有連通管相通，立干管與低區(qū)集管和高區(qū)集管相通，管路中設(shè)置截止閥，用于轉(zhuǎn)換控制供水方式（供水支管串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等），如圖1所示.

圖1　船舶供水典型管網(wǎng)系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematic diagram of marine water supply network system

選擇作為船舶供水典型管網(wǎng)的阻力特性主要是由各層支管的純水頭和流動(dòng)阻力損失決定的.其中，若以供水站出水口作為純水頭零水位線的話，船舶典型管網(wǎng)各層支管的純水頭如表1所示；而流動(dòng)阻力損失則是由管徑、管長(zhǎng)、變徑彎頭與管路中閥門的流量系數(shù)、以及各支管上用水點(diǎn)的流量系數(shù)等決定的［5-7］.

3　典型管網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)方案

3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

船舶典型管網(wǎng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)龐大，垂直高度達(dá)23 m，搭建一個(gè)與實(shí)際結(jié)構(gòu)同等大小的試驗(yàn)平臺(tái)耗資巨大.因此在盡可能滿足實(shí)際結(jié)構(gòu)的前提下，減少管網(wǎng)支管布置的垂直高度，各層支管首部均安裝差壓式減壓閥以補(bǔ)償降低垂直高度而減少的重力壓差.若以供水站出水口作為純水頭零水位線的話，降低垂直高度后的典型管網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)的各層支管管路的純水頭如表1所示.

每層支管與集水管之間設(shè)置差壓型減壓閥，以模擬實(shí)際管網(wǎng)各支管的層高所形成的純水頭特性，從而降低試驗(yàn)系統(tǒng)的建造成本.各層支管上的差壓型減壓閥的設(shè)定值如表1所示.

表1　典型管網(wǎng)實(shí)際與試驗(yàn)系統(tǒng)各層支管管路的純水頭Tab.1Water head of each branch pipe in real and test typical networkm

3.2隨機(jī)控制功能的實(shí)現(xiàn)

每層支管接11個(gè)電磁閥，用以模擬用戶用水.考慮到實(shí)際用戶用水的隨機(jī)性，需隨機(jī)控制每層電磁閥的開啟和關(guān)閉.隨機(jī)控制的核心部分即為隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生.

利用一定的算法由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一組隨機(jī)數(shù)，與現(xiàn)實(shí)真隨機(jī)數(shù)不同的是，該算法產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)一旦算法固定，初值給定，產(chǎn)生的一組隨機(jī)數(shù)序列就唯一確定，固稱該隨機(jī)數(shù)為偽隨機(jī)數(shù).計(jì)算機(jī)廣泛采用線性同余法產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，主要在于其算法簡(jiǎn)單，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)速度快，占用內(nèi)存少［8-10］.

總而言之，圖書館是社會(huì)公共文化資源的重要組成部分之一，其功能和宗旨就是為讀者提供人性化服務(wù)，做好讀者人性化服務(wù)是一項(xiàng)系統(tǒng)持久的社會(huì)服務(wù)工程。圖書館人開展讀者人性化服務(wù)，以法律為依托，從人性化出發(fā)，以讀者為核心，依法為讀者服務(wù)，在法律規(guī)定的范圍內(nèi)，調(diào)動(dòng)讀者充分利用圖書館文獻(xiàn)信息資源，滿足讀者最大需求，發(fā)揮圖書館的社會(huì)功能，依法推廣全民閱讀，依法保障讀者合法權(quán)益順暢無阻，促進(jìn)圖書館事業(yè)科學(xué)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)全民共享文獻(xiàn)資源。

線性同余法的數(shù)學(xué)公式為X（n+1）=（a·X（n）+c）%m式中，各系數(shù)為：模m，m＞0；系數(shù)a，0＜a＜m；增量c，0≤c＜m；原始值（種子）0≤X（0）＜m.

參數(shù)c，m，a的取值比較重要，直接影響偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的質(zhì)量.一般而言，線性同余法的m是2的指數(shù)次冪（一般為232或者264），因?yàn)檫@樣取模操作選取最右的32或64位即可.多數(shù)編譯器的庫中使用了該理論實(shí)現(xiàn)其偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器.三菱PLC可以采用該算法產(chǎn)生一組隨機(jī)數(shù)，每次所給的初值不同就會(huì)得到不同的隨機(jī)數(shù)組，繼而滿足隨機(jī)功能的實(shí)現(xiàn).三菱FX3U系列PLC中已集成隨機(jī)數(shù)指令，用戶不用編輯算法，可直接調(diào)用.三菱FX3U中隨機(jī)數(shù)指令為：FNC 184 RND/RNDP

這個(gè)指令產(chǎn)生0～32 767的偽隨機(jī)數(shù)，將其數(shù)值作為隨機(jī)數(shù)保存到目標(biāo)元件D中.

在偽隨機(jī)數(shù)系列中，每次計(jì)算出隨機(jī)數(shù)的原始值，然后使用該隨機(jī)數(shù)的原始值計(jì)算出偽隨機(jī)數(shù).

3.3PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC程序的編寫采用GX Works2，該軟件是三菱電機(jī)推出的三菱綜合PLC編程軟件，是專用于PLC設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)的編程工具.與傳統(tǒng)的GX Developer軟件相比，提高了功能及操作性能，變得更加容易使用.

利用PLC控制每層11個(gè)電磁閥的中的一個(gè)或多個(gè)電磁閥的隨機(jī)開啟或關(guān)閉，并通過壓力傳感器和流量傳感器記錄每層支管的壓力與流量，將記錄結(jié)果保存到Excel文件中，程序流程圖如圖2所示.

圖2　PLC程序流程圖Fig.2Flowchart of PLC program

4　試驗(yàn)結(jié)果

典型管網(wǎng)每層支管所接的11個(gè)電磁閥模擬每層11個(gè)房間的用戶用水.隨機(jī)開啟或關(guān)閉各層支管所接的11個(gè)電磁閥，試驗(yàn)記錄了100 s內(nèi)每層支管的首部和末端的壓力和流量，并統(tǒng)計(jì)出每層支管末端流量分布，根據(jù)流量分布直方圖擬合出其正太分布曲線，計(jì)算出該層支管出現(xiàn)供水不足（流量小于5 L/min）的概率，每層支管都用該方法進(jìn)行模擬計(jì)算以得出整個(gè)典型管網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)的性能參數(shù).現(xiàn)以其中一層支管為例進(jìn)行結(jié)果分析，如#0甲層支管壓力與流量曲線以及#0甲層支管末端流量分布直方圖如圖3、圖4所示.

由圖3可知，在隨機(jī)負(fù)載作用下，#0甲支管首末端壓力和流量以及主管壓力變化趨勢(shì)基本一致，都同時(shí)增大或減小，#0甲支管首末端流量基本都在10 L/min以上.

由圖4可知，#0甲支管流量分布近似正態(tài)分布，流量平均值為12.372 3 L/min，出現(xiàn)供水不足（流量小于5 L/min）的概率為3.508 7×10-8，該概率極低，即可認(rèn)為基本不會(huì)出現(xiàn)供水不足.

圖3　#0甲支管壓力與流量曲線Fig.3Curves of pressure and flow of#0 branch

圖4　#0甲支管末端流量分布直方圖Fig.4Flow distribution histogram at the end of#0 branch

5　結(jié)語

為大型船舶典型管網(wǎng)設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)系統(tǒng)，典型管網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)每層支管與集水管之間設(shè)置差壓型減壓閥，以模擬實(shí)際管網(wǎng)各支管的層高所形成的純水頭特性，降低了試驗(yàn)系統(tǒng)的垂直高度從而降低試驗(yàn)系統(tǒng)的建造成本.利用PLC隨機(jī)數(shù)功能模擬實(shí)際用戶隨機(jī)開啟和關(guān)閉電磁閥，從而測(cè)試每層支管壓力和流量隨時(shí)間的變化，分析統(tǒng)計(jì)出每層支管末端流量的分布直方圖并擬合其正態(tài)分布曲線，計(jì)算出每層出現(xiàn)供水不足的概率，檢測(cè)所試驗(yàn)的典型管網(wǎng)系統(tǒng)是否滿足用戶的正常用水.利用GX Works2的模擬調(diào)試大大縮短設(shè)計(jì)周期，更容易檢驗(yàn)程序中的錯(cuò)誤，保證程序的有效性和可靠性.

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本文編輯：陳小平

Simulation of Random Load of Typical Pipe Network Test System

GAO Xiang，ZHANG Kunzhuang
School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

To verify the rationality of the design of the centralized water supply system on a certain type of ship and the accuracy of the numerical simulation results，we designed a typical pipe network test system，taking the typical water supply unit of a centralized water supply system on a certain type of ship as a model，using the dif?ferential pressure relief valve to simulate the actual water head，and using the throttle to adjust the flow resis?tance loss，so as to achieve the balance of economy and validity of the test.We designed a set of programmable logic controller（PLC）system for regulating the resistance characteristic and load of each branch，detecting and recording pressure and flow on the important positions of the pipe network.We realized the random controlling of load by PLC，using the random number generated by linear congruence generator，and statistically analyzing the pressure and flow of each branch under random load.The results show that the flow at the end of each branch is sufficient under random load，and the probability of water shortage at the end of each branch is very low，thus verifying that the design of water supply system on the ship is reasonable and the simulation results are accurate in the design.

typical pipe network；simulation；random number

TH39

A

10.3969/j.issn.1674?2869.2016.05.017

1674-2869（2016）05-0500-06

2016-07-12

高翔，博士，教授.E-mail：gxiangs@mail.wit.edu.cn