一种船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法及系统

摘要

本发明公开了一种应用于船舶核动力装置仿真中的母管模拟方法及系统，应用于母管仿真技术领域，具体地，根据仿真对象系统的特点，将实际工艺系统转化管网模型仿真图，并根据仿真对象实际的结构，选定管网系统与外部系统的边界、管网系统与母管模型的边界；根据所属仿真图绘制，将管网边界的压力数据、流量数据与互扰控制体模型进行交互；根据母管隔离阀门的状态，确定互扰控制体的解耦与耦合状态；利用传递的边界数据计算母管的热工参数，并向管网模型反馈热力学参数计算结果。本发明在母管联通状态下，能够模拟出母管内压力、温度(焓值)的均匀分布特性；母管隔离的状态下，能够模拟出母管隔离阀两侧压力、温度(焓值)相对独立的特性。

权利要求

1.一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法，其特征在于，具体步骤包括：绘制仿真图：根据仿真对象系统的特点，将实际工艺系统转化为以控制体、连接线和管网模型的仿真图，并根据仿真对象实际的结构，选定管网系统与外部系统的边界、管网系统与母管模型的边界；

参数传递：根据所属仿真图绘制，利用预设的管网模型与母管模型间的数据传递规则将管网边界的压力数据、流量数据与互扰控制体模型进行交互；

计算：根据母管隔离阀门的状态，确定互扰控制体的解耦与耦合状态；利用传递的边界数据计算母管的热工参数，并向管网模型反馈热力学参数计算结果；具体地，进行耦合状态下互扰控制体整体压力与焓值计算：a.互扰控制体认为是一个整体，两个控制体的体积参数合并，体现为一个普通的控制体，内部整体应用集总参数法进行计算；

b.基于互扰控制体与外界的整体能量守恒方程，计算互扰控制体内的焓值；

c.基于互扰控制体与外界的整体质量守恒，计算互扰控制体内的压力；

进行耦合状态下互扰控制体间的流量计算：

a.列出互扰控制体各自的质量守恒方程；

b.互扰控制体的每个个体与整体间保持一致的压力及压力变化速率，利用该方法计算互扰控制体间的流量，不考虑母管内部的流动阻力；

进行解耦状态下互扰控制体间的流量计算：

a.解耦状态下，互扰控制体是两个独立的个体，不再具有参数同一性，体现为两个普通的控制体，需要考虑母管内部的流动阻力；

b.利用互扰控制体间的压差，基于动量守恒方程计算互扰控制体间的流量；

进行解耦状态下互扰控制体各自的压力与焓值计算：

a.解耦状态下互扰控制体是两个独立的控制体，需要分别应用集总参数法进行计算；

b.基于单个控制体的质量守恒方程，计算单个控制体的压力，计算过程中考虑互扰控制体间的流量；

c.基于单个控制体的能量守恒方程，计算单个控制体的焓值，计算过程中考虑互扰控制体间的流量及流动所携带的能量传递。

2.根据权利要求1所述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法，其特征在于，所述绘制仿真图具体步骤如下：在预设位置设置控制体，在母管位置放置互扰控制体模型图标，模拟母管；

对其他各控制体间进行连接，按流动方向顺序使用连接线将控制体串联；

根据管网与外界的流入与流出状态、传质与传热过程选择管网外部边界，边界类型为压力边界、流量边界、热量边界或温度边界；

根据母管与管网间的流动方向和流动状态，设置管网模型与互扰控制体模型间的边界；使用连接线将管网的节点与边界、边界与互扰控制体间进行连接，完成仿真图的绘制。

3.根据权利要求1所述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法，其特征在于，参数传递步骤包括如下：管网的压力边界：管网与管网的压力边界之间参数传递按管网模型计算方法进行；管网边界向母管的互扰控制体模型传递流动的流量与方向、流入母管的焓值，互扰控制体模型反馈母管的压力、流出的焓值；

管网的流量边界：管网与管网的流量边界之间参数传递按管网模型计算方法进行；管网边界向母管的互扰控制体模型传递流动下游的压力、流入母管的焓值，互扰控制体模型反馈母管的流动流量及流动方向、流出母管的焓值。

4.根据权利要求1所述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法，其特征在于，计算步骤如下：当母管隔离阀全开，或阀门位置并未影响到流通截面时，互扰控制体处于耦合状态，利用整体质量守恒的方式计算互扰控制体内的压力、焓值，同时根据互扰控制体个体与整体的一致性计算流量；

当母管隔离阀处于影响流通截面以后，或是完全关闭时，互扰控制体处于解耦状态，利用动量守恒方程依靠互扰控制体间的压差计算流量、利用每个互扰控制体自身的质量守恒方程计算每个互扰控制体的压力和焓值。

5.一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟系统，其特征在于，包括：绘制仿真图模块：根据仿真对象系统的特点，将实际工艺系统转化为以控制体、连接线和管网模型的仿真图，并根据仿真对象实际的结构，选定管网系统与外部系统的边界、管网系统与母管模型的边界；

参数传递模块：根据所属仿真图绘制，利用预设的管网模型与母管模型间的数据传递规则将管网边界的压力数据、流量数据与互扰控制体模型进行交互；

计算模块：根据母管隔离阀门的状态，确定互扰控制体的解耦与耦合状态；利用传递的边界数据计算母管的热工参数，并向管网模型反馈热力学参数计算结果；具体地，进行耦合状态下互扰控制体整体压力与焓值计算：a.互扰控制体认为是一个整体，两个控制体的体积参数合并，体现为一个普通的控制体，内部整体应用集总参数法进行计算；

b.基于互扰控制体与外界的整体能量守恒方程，计算互扰控制体内的焓值；

c.基于互扰控制体与外界的整体质量守恒，计算互扰控制体内的压力；

进行耦合状态下互扰控制体间的流量计算：

a.列出互扰控制体各自的质量守恒方程；

b.互扰控制体的每个个体与整体间保持一致的压力及压力变化速率，利用该方法计算互扰控制体间的流量，不考虑母管内部的流动阻力；

进行解耦状态下互扰控制体间的流量计算：

a.解耦状态下，互扰控制体是两个独立的个体，不再具有参数同一性，体现为两个普通的控制体，需要考虑母管内部的流动阻力；

b.利用互扰控制体间的压差，基于动量守恒方程计算互扰控制体间的流量；

进行解耦状态下互扰控制体各自的压力与焓值计算：

a.解耦状态下互扰控制体是两个独立的控制体，需要分别应用集总参数法进行计算；

b.基于单个控制体的质量守恒方程，计算单个控制体的压力，计算过程中考虑互扰控制体间的流量；

c.基于单个控制体的能量守恒方程，计算单个控制体的焓值，计算过程中考虑互扰控制体间的流量及流动所携带的能量传递。

6.根据权利要求5所述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟系统，其特征在于，所述绘制仿真图模块包括：控制体单元，在预设位置设置控制体，在母管位置放置互扰控制体模型图标，模拟母管；对其他各控制体间进行连接，按流动方向顺序使用连接线将控制体串联；

边界单元，根据管网与外界的流入与流出状态、传质与传热过程选择管网外部边界，边界类型为压力边界、流量边界、热量边界或温度边界；

绘制单元，根据母管与管网间的流动方向和流动状态，设置管网模型与互扰控制体模型间的边界；使用连接线将管网的节点与边界、边界与互扰控制体间进行连接，完成仿真图的绘制。

7.根据权利要求5所述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟系统，其特征在于，参数传递模块包括：压力边界单元：管网与管网的压力边界之间参数传递按管网模型计算方法进行；管网边界向母管的互扰控制体模型传递流动的流量与方向、流入母管的焓值，互扰控制体模型反馈母管的压力、流出的焓值；

流量边界单元：管网与管网的流量边界之间参数传递按管网模型计算方法进行；管网边界向母管的互扰控制体模型传递流动下游的压力、流入母管的焓值，互扰控制体模型反馈母管的流动流量及流动方向、流出母管的焓值。

8.根据权利要求5所述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟系统，其特征在于，计算模块包括：判断单元，判断母管隔离阀状态或阀门位置是否影响到流通截面；

耦合单元，当母管隔离阀全开，或阀门位置并未影响到流通截面时，处于耦合状态，利用整体质量守恒的方式计算内的压力、焓值，同时根据个体与整体的一致性计算流量；

解耦单元，当母管隔离阀处于影响流通截面以后，或是完全关闭时，处于解耦状态，利用动量守恒方程依靠间的压差计算流量、利用每个自身的质量守恒方程计算每个的压力和焓值。

说明书

一种船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及母管仿真技术领域，更具体的说是涉及一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法及系统。

背景技术

[0002] 船舶核动力装置与陆上核电站不同，其左右舷侧常不对称运行，或隔离一侧运行。在给水系统中，由两舷侧凝水经给水泵升压后，汇集到母管中进行分配，再送入两侧的蒸汽发生器中。蒸汽系统也有类似的母管。母管的内径较大、容积惯性较强，中间设置隔离阀门，在联通状态下、左右舷不对称运行时体现出统一的压力与温度特性。采用传统的管网模型进行模拟时，若采取两个控制体中间连接阻力较小的流线这种方式进行模拟，两侧控制体为独立的计算个体，计算过程中不能联通状态保证压力、温度的同一性；若采取一个控制体进行模拟，虽能较好的反馈热工参数的同一性，但不能模拟隔离过程。

[0003] 随着我国海洋力量的进步，仿真工作在船舶动力装置的设计中已经深度介入。目前对船舶核动力装置热力系统的建模仍采用与陆上火电、核电仿真模型相一致的手段。但陆上装置与船舶动力装置差异巨大，工况变化少、不会出现非对称运行的状态；无论采用传统建模方法中的哪一种对含有母管的工艺系统进行建模，都会导致难以模拟全部的运行工况，不能对设计工况进行全面准确的预测。在当前建模方法中，控制体不可动态拆分、不能动态合并，导致了母管模拟十分困难。通过CFD方法计算的母管模型虽然准确、可靠，但计算耗时巨大，不能够同实时仿真的一维管网模型进行快速连接与耦合，也不能完成实时仿真的任务。在这种情况下，模型的复现能力尚显不足，更遑论准确的预测能力，仅能应用于有限的培训仿真中，在设计、评估阶段的仿真结果缺乏可信性和说服力。

[0004] 因此，如何提供一种仿真全面准确的应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法及系统。

[0006] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法，具体步骤包括：

[0008] 绘制仿真图：根据仿真对象系统的特点，将实际工艺系统转化为以控制体、连接线和管网模型的仿真图，并根据仿真对象实际的结构，选定管网系统与外部系统的边界、管网系统与母管模型的边界；

[0009] 参数传递：根据所属仿真图绘制，利用预设的管网模型与母管模型间的数据传递规则将管网边界的压力数据、流量数据与互扰控制体模型进行交互；

[0010] 计算：根据母管隔离阀门的状态，确定互扰控制体的解耦与耦合状态；利用传递的边界数据计算母管的热工参数，并向管网模型反馈热力学参数计算结果。

[0011] 可选的，在上述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法中，所述绘制仿真图具体步骤如下：

[0012] 在预设位置设置控制体，在母管位置放置互扰控制体模型图标，模拟母管；

[0013] 对其他各控制体进行连接，按流动方向顺序使用连接线将控制体串联；

[0014] 根据管网与外界的流入与流出状态、传质与传热过程选择管网外部边界，边界类型为压力边界、流量边界、热量边界或温度边界；

[0015] 进一步，在管网模型中对母管预留合适的边界：

[0016] a.自管网中流入母管的管线：将母管视作压力边界；管网向母管内传递工质流量、工质焓，接收母管反馈的母管压力、母管工质焓；

[0017] b.自母管流入管网中的管线：将母管视作流量边界；管网向母管内传递工质的压力、工质焓，接收母管反馈的工质流量和母管工质焓；

[0018] c.母管与工艺系统的其他管道间仅为传质与传热，不存在不传质而进行的传热现象。因此不设置温度边界与热量边界。

[0019] 根据母管与管网间的流动方向和流动状态，设置管网模型与互扰控制体模型间的边界；使用连接线将管网的节点与边界、边界与互扰控制体间进行连接，完成仿真图的绘制。

[0020] 具体地，设置互扰控制体模型，并与管网模型中的边界相连接：

[0021] a.以一对互扰控制体模拟母管，并设置于仿真图形中的相关位置，在互扰控制体中部设置隔离阀；

[0022] b.互扰控制体作为边界与管网模型的边界进行连接。母管模型反馈给管网的压力、焓值与流量，取自管网连接的对应互扰控制体的计算结果，互扰控制体作为一个整体接收管网模型传入的数据；

[0023] c.连接互扰控制体的时间步长变量与管网模型的时间步长变量。

[0024] 可选的，在上述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法中，参数传递步骤包括如下：

[0025] 管网的压力边界：管网与管网的压力边界之间参数传递按管网模型计算方法进行；管网边界向母管的互扰控制体模型传递流动的流量与方向、流入母管的焓值，互扰控制体模型反馈母管的压力、流出的焓值；

[0026] 管网的流量边界：管网与管网的流量边界之间参数传递按管网模型计算方法进行；管网边界向母管的互扰控制体模型传递流动下游的压力、流入母管的焓值，互扰控制体模型反馈母管的流动流量及流动方向、流出母管的焓值。

[0027] 具体地，管网模型向互扰控制体模型传递边界参数：

[0028] a.在第一次计算前，管网模型的压力边界与流量边界需要赋边界初值，边界初值为建模人员给定，不是互扰控制体的计算结果；

[0029] b.在第二次及以后的计算中，管网模型的压力边界与流量边界取用互扰控制体上一次的计算结果，并向前推进时间步长；

[0030] c.互扰控制体内每次热工参数的计算，即采用管网模型第一次计算结果的输出，不设置边界初值；

[0031] d.时间步长每一步进行一次传递，在管网模型改变时间步长时，互扰控制体的计算模型在同一次计算中变更时间步长，跟随管网模型的计算。

[0032] 可选的，在上述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法中，计算步骤如下：

[0033] 当母管隔离阀全开，或阀门位置并未影响到流通截面时，处于耦合状态，利用整体质量守恒的方式计算内的压力、焓值，同时根据个体与整体的一致性计算流量；

[0034] 当母管隔离阀处于影响流通截面以后，或是完全关闭时，处于解耦状态，利用动量守恒方程依靠间的压差计算流量、利用每个自身的质量守恒方程计算每个的压力和焓值。

[0035] 具体地，互扰控制体模型判断所处耦合状态与解耦状态：

[0036] a.互扰控制体在母管隔离阀全开时处于耦合状态，耦合状态下互扰控制体成为一个整体，与管网模型中的单个控制体计算方法相同；

[0037] b.互扰控制体在母管隔离阀全关时处于解耦状态，解耦状态下互扰控制体是两个相互独立的个体，与管网模型中的两个控制体计算方法相同；

[0038] c.当隔离阀门处于非全开与非全关状态时，需要根据阀门特性判断互扰控制体状态。当阀门未对流通截面产生影响时，认为互扰控制体处于耦合状态；当阀门已经对流通截面产生影响时，认为互扰控制体处于解耦状态；

[0039] d.互扰控制体间的耦合状态与解耦状态可以平滑、顺利转换，转换过程不引起母管及边界热工参数的震荡与计算求解的发散。

[0040] 更进一步，进行耦合状态下互扰控制体整体压力与焓值计算：

[0041] a.互扰控制体认为是一个整体，两个控制体的体积参数合并，体现为一个普通的控制体，内部整体应用集总参数法进行计算；

[0042] b.基于互扰控制体与外界的整体能量守恒方程，计算互扰控制体内的焓值；

[0043] c.基于互扰控制体与外界的整体质量守恒，计算互扰控制体内的压力。

[0044] 进行耦合状态下互扰控制体间的流量计算：

[0045] a.列出互扰控制体各自的质量守恒方程；

[0046] b.互扰控制体的每个个体与整体间保持一致的压力及压力变化速率，利用该方法计算互扰控制体间的流量，不考虑母管内部的流动阻力。

[0047] 进行解耦状态下互扰控制体间的流量计算：

[0048] a.解耦状态下，互扰控制体是两个独立的个体，不再具有参数同一性，体现为两个普通的控制体，需要考虑母管内部的流动阻力；

[0049] b.利用互扰控制体间的压差，基于动量守恒方程计算互扰控制体间的流量。

[0050] 进行解耦状态下互扰控制体各自的压力与焓值计算：

[0051] a.解耦状态下互扰控制体是两个独立的控制体，需要分别应用集总参数法进行计算；

[0052] b.基于单个控制体的质量守恒方程，计算单个控制体的压力，计算过程中考虑互扰控制体间的流量；

[0053] c.基于单个控制体的能量守恒方程，计算单个控制体的焓值，计算过程中考虑互扰控制体间的流量及流动所携带的能量传递。

[0054] 可选的，在上述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法中，还包括：计算管网间的边界参数，同时完成本步骤计算，输出并进行下一步计算：

[0055] a.管网是压力边界的，直接传递母管压力、母管内工质比焓给管网，由管网计算边界流量及流动方向；

[0056] b.管网是流量边界的，通过管网与流量边界相连接的节点压力与母管压力，利用动量守恒方程计算该支路流量，将该流量与比焓传递给管网，由本计算方法计算流动流量及方向；

[0057] c.参数传递完毕后，本步计算完成，时间步长累加，计算下一时间步长；

[0058] d.输出母管的温度、压力，母管间的流量、计算时间等参数变量。

[0059] 一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟系统，包括：

[0060] 绘制仿真图模块：根据仿真对象系统的特点，将实际工艺系统转化为以控制体、连接线和管网模型的仿真图，并根据仿真对象实际的结构，选定管网系统与外部系统的边界、管网系统与母管模型的边界；

[0061] 参数传递模块：根据所属仿真图绘制，利用预设的管网模型与母管模型间的数据传递规则将管网边界的压力数据、流量数据与互扰控制体模型进行交互；

[0062] 计算模块：根据母管隔离阀门的状态，确定互扰控制体的解耦与耦合状态；利用传递的边界数据计算母管的热工参数，并向管网模型反馈热力学参数计算结果。

[0063] 可选的，在上述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟系统中，所述绘制仿真图模块包括：

[0064] 控制体单元，在预设位置设置控制体，在母管位置放置互扰控制体模型图标，模拟母管；对其他各控制体进行连接，按流动方向顺序使用连接线将控制体串联；

[0065] 边界单元，根据管网与外界的流入与流出状态、传质与传热过程选择管网外部边界，边界类型为压力边界、流量边界、热量边界或温度边界；

[0066] 进一步，在管网模型中对母管预留合适的边界：

[0067] a.自管网中流入母管的管线：将母管视作压力边界；管网向母管内传递工质流量、工质焓，接收母管反馈的母管压力、母管工质焓；

[0068] b.自母管流入管网中的管线：将母管视作流量边界；管网向母管内传递工质的压力、工质焓，接收母管反馈的工质流量和母管工质焓；

[0069] c.母管与工艺系统的其他管道间仅为传质与传热，不存在不传质而进行的传热现象。因此不设置温度边界与热量边界。

[0070] 绘制单元，根据母管与管网间的流动方向和流动状态，设置管网模型与互扰控制体模型间的边界；使用连接线将管网的节点与边界、边界与互扰控制体间进行连接，完成仿真图的绘制。

[0071] 具体地，设置互扰控制体模型，并与管网模型中的边界相连接：

[0072] a.以一对互扰控制体模拟母管，并设置于仿真图形中的相关位置，在互扰控制体中部设置隔离阀；

[0073] b.互扰控制体作为边界与管网模型的边界进行连接。母管模型反馈给管网的压力、焓值与流量，取自管网连接的对应互扰控制体的计算结果，互扰控制体作为一个整体接收管网模型传入的数据；

[0074] c.连接互扰控制体的时间步长变量与管网模型的时间步长变量。

[0075] 可选的，在上述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟系统中，参数传递模块包括：

[0076] 压力边界单元：管网与管网的压力边界之间参数传递按管网模型计算方法进行；管网边界向母管的互扰控制体模型传递流动的流量与方向、流入母管的焓值，互扰控制体模型反馈母管的压力、流出的焓值；

[0077] 流量边界单元：管网与管网的流量边界之间参数传递按管网模型计算方法进行；管网边界向母管的互扰控制体模型传递流动下游的压力、流入母管的焓值，互扰控制体模型反馈母管的流动流量及流动方向、流出母管的焓值。

[0078] 具体地，管网模型向互扰控制体模型传递边界参数：

[0079] a.在第一次计算前，管网模型的压力边界与流量边界需要赋边界初值，边界初值为建模人员给定，不是互扰控制体的计算结果；

[0080] b.在第二次及以后的计算中，管网模型的压力边界与流量边界取用互扰控制体上一次的计算结果，并向前推进时间步长；

[0081] c.互扰控制体内每次热工参数的计算，即采用管网模型第一次计算结果的输出，不设置边界初值；

[0082] d.时间步长每一步进行一次传递，在管网模型改变时间步长时，互扰控制体的计算模型在同一次计算中变更时间步长，跟随管网模型的计算。

[0083] 可选的，在上述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟系统中，计算模块包括：

[0084] 判断单元，判断母管隔离阀状态或阀门位置是否影响到流通截面；

[0085] 耦合单元，当母管隔离阀全开，或阀门位置并未影响到流通截面时，处于耦合状态，利用整体质量守恒的方式计算内的压力、焓值，同时根据个体与整体的一致性计算流量；

[0086] 解耦单元，当母管隔离阀处于影响流通截面以后，或是完全关闭时，处于解耦状态，利用动量守恒方程依靠间的压差计算流量、利用每个自身的质量守恒方程计算每个的压力和焓值。

[0087] 具体地，互扰控制体模型判断所处耦合状态与解耦状态：

[0088] a.互扰控制体在母管隔离阀全开时处于耦合状态，耦合状态下互扰控制体成为一个整体，与管网模型中的单个控制体计算方法相同；

[0089] b.互扰控制体在母管隔离阀全关时处于解耦状态，解耦状态下互扰控制体是两个相互独立的个体，与管网模型中的两个控制体计算方法相同；

[0090] c.当隔离阀门处于非全开与非全关状态时，需要根据阀门特性判断互扰控制体状态。当阀门未对流通截面产生影响时，认为互扰控制体处于耦合状态；当阀门已经对流通截面产生影响时，认为互扰控制体处于解耦状态；

[0091] d.互扰控制体间的耦合状态与解耦状态可以平滑、顺利转换，转换过程不引起母管及边界热工参数的震荡与计算求解的发散。

[0092] 更进一步，进行耦合状态下互扰控制体整体压力与焓值计算：

[0093] a.互扰控制体认为是一个整体，两个控制体的体积参数合并，体现为一个普通的控制体，内部整体应用集总参数法进行计算；

[0094] b.基于互扰控制体与外界的整体能量守恒方程，计算互扰控制体内的焓值；

[0095] c.基于互扰控制体与外界的整体质量守恒，计算互扰控制体内的压力。

[0096] 进行耦合状态下互扰控制体间的流量计算：

[0097] a.列出互扰控制体各自的质量守恒方程；

[0098] b.互扰控制体的每个个体与整体间保持一致的压力及压力变化速率，利用该方法计算互扰控制体间的流量，不考虑母管内部的流动阻力。

[0099] 进行解耦状态下互扰控制体间的流量计算：

[0100] a.解耦状态下，互扰控制体是两个独立的个体，不再具有参数同一性，体现为两个普通的控制体，需要考虑母管内部的流动阻力；

[0101] b.利用互扰控制体间的压差，基于动量守恒方程计算互扰控制体间的流量。

[0102] 进行解耦状态下互扰控制体各自的压力与焓值计算：

[0103] a.解耦状态下互扰控制体是两个独立的控制体，需要分别应用集总参数法进行计算；

[0104] b.基于单个控制体的质量守恒方程，计算单个控制体的压力，计算过程中考虑互扰控制体间的流量；

[0105] c.基于单个控制体的能量守恒方程，计算单个控制体的焓值，计算过程中考虑互扰控制体间的流量及流动所携带的能量传递。

[0106] 可选的，在上述的一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟系统中，还包括：计算管网间的边界参数，同时完成本步骤计算，输出并进行下一步计算：

[0107] a.管网是压力边界的，直接传递母管压力、母管内工质比焓给管网，由管网计算边界流量及流动方向；

[0108] b.管网是流量边界的，通过管网与流量边界相连接的节点压力与母管压力，利用动量守恒方程计算该支路流量，将该流量与比焓传递给管网，由本计算方法计算流动流量及方向；

[0109] c.参数传递完毕后，本步计算完成，时间步长累加，计算下一时间步长；

[0110] d.输出母管的温度、压力，母管间的流量、计算时间等参数变量。

[0111] 经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种面向船舶核动力管网仿真应用的、具备隔离与联通两种状态的母管仿真方法及系统，以一对互扰控制体模拟母管，母管与管网模型通过边界进行连接；通过调整互扰控制体间的耦合与解耦状态模拟母管的左右舷侧联通与隔离状态；以耦合状态的一个大控制体去模拟联通状态的母管，参数具有同一性、均匀分布性；以解耦状态的两个分控制体模拟隔离状态的母管，参数具有独立性。最终，通过不同的质量、能量守恒及互扰控制体间的流动流量计算，完成不同状态下母管内的压力、焓值与流量计算。

[0112] 本发明所提供的仿真方法，包括预留边界、边界连接、传递参数、判断状态、参数计算、数据实处等若干重要步骤，本方法在判断状态、参数计算方面与当前采用管网模型进行的母管仿真方法相比，更加满足母管在非对称运行状态下的计算精度要求，预测或复现母管类设备的运行特性，满足船舶核动力装置在设计、校核、评估、培训等模型建设过程中对母管类设备的精细化仿真需要。且模型能够耦合、解耦，能够平滑、顺利的实现母管的隔离与联通工况。

[0113] 本发明可以对船舶核动力装置工艺系统中的母管类设备模拟时采用不同于现有管网模拟方式的仿真方法，本发明的主要优点体现在：

[0114] (1)本发明中所提出的互扰控制体模拟方法，具有耦合、解耦两个状态，在耦合状态下成为一个整体，具有一致的热工参数计算结果和均匀的分布，与实际母管相符；在解耦状态下又是两个独立的个体，具有独立的热工参数属性，计算结果能够体现隔离状态下左右舷侧的相对独立性。

[0115] (2)本发明中所提出的互扰控制体计算相对独立，与管网模型通过边界耦合，这样导致了模型间具有良好的耦合性，且计算过程相对独立，在模型重构过程中能够快速实现接口的通断，实现模型的快速重构过程。

附图说明

[0116] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

[0117] 图1本发明的母管模拟方法流程框图。

[0118] 图2某实际给水系统的工艺流程图。

[0119] 图3采用互扰控制体与管网模拟的给水系统仿真图。

具体实施方式

[0120] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0121] 本发明实施例公开的互扰控制体模拟方法，具有耦合、解耦两个状态，在耦合状态下成为一个整体，具有一致的热工参数计算结果和均匀的分布，与实际母管相符；在解耦状态下又是两个独立的个体，具有独立的热工参数属性，计算结果能够体现隔离状态下左右舷侧的相对独立性。同时提出的互扰控制体计算相对独立，与管网模型通过边界耦合，这样导致了模型间具有良好的耦合性，且计算过程相对独立，在模型重构过程中能够快速实现接口的通断，实现模型的快速重构过程。

[0122] 本发明的实施例公开了一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟方法，如图1所示，具体步骤包括：

[0123] 绘制仿真图：根据仿真对象系统的特点，将实际工艺系统转化为以控制体、连接线和管网模型的仿真图，并根据仿真对象实际的结构，选定管网系统与外部系统的边界、管网系统与母管模型的边界；

[0124] 参数传递：根据所属仿真图绘制，利用预设的管网模型与母管模型间的数据传递规则将管网边界的压力数据、流量数据与互扰控制体模型进行交互；

[0125] 计算：根据母管隔离阀门的状态，确定互扰控制体的解耦与耦合状态；利用传递的边界数据计算母管的热工参数，并向管网模型反馈热力学参数计算结果。

[0126] 为了进一步优化上述技术方案，所述绘制仿真图具体步骤如下：

[0127] 在预设位置设置控制体，在母管位置放置互扰控制体模型图标，模拟母管；

[0128] 对其他各控制体间进行连接，按流动方向顺序使用连接线将控制体串联；

[0129] 根据管网与外界的流入与流出状态、传质与传热过程选择管网外部边界，边界类型为压力边界、流量边界、热量边界或温度边界；

[0130] 根据母管与管网间的流动方向和流动状态，设置管网模型与互扰控制体模型间的边界；使用连接线将管网的节点与边界、边界与互扰控制体间进行连接，完成仿真图的绘制。

[0131] 为了进一步优化上述技术方案，参数传递步骤包括如下：

[0132] 管网的压力边界：管网与管网的压力边界之间参数传递按管网模型计算方法进行；管网边界向母管的互扰控制体模型传递流动的流量与方向、流入母管的焓值，互扰控制体模型反馈母管的压力、流出的焓值；

[0133] 管网的流量边界：管网与管网的流量边界之间参数传递按管网模型计算方法进行；管网边界向母管的互扰控制体模型传递流动下游的压力、流入母管的焓值，互扰控制体模型反馈母管的流动流量及流动方向、流出母管的焓值。

[0134] 为了进一步优化上述技术方案，计算步骤如下：

[0135] 当母管隔离阀全开，或阀门位置并未影响到流通截面时，互扰控制体处于耦合状态，利用整体质量守恒的方式计算互扰控制体内的压力、焓值，同时根据互扰控制体个体与整体的一致性计算流量；

[0136] 当母管隔离阀处于影响流通截面以后，或是完全关闭时，互扰控制体处于解耦状态，利用动量守恒方程依靠互扰控制体间的压差计算流量、利用每个互扰控制体自身的质量守恒方程计算每个互扰控制体的压力和焓值。

[0137] 具体地：

[0138] a.判断互扰控制体的状态。当母管隔离阀全开，或阀门位置并未影响到流通截面时，互扰控制体处于耦合状态，是一个整体；当母管隔离阀处于影响了流通截面以后，或是完全关闭时，互扰控制体处于解耦状态，是两个独立的个体；

[0139] b.当互扰控制体处于耦合状态时，采用整体质量守恒的方式计算控制体内的压力。其中整体质量守恒方程如下所示：

[0140]

[0141] 式中M指的是质量，τ指的是时间，ρ指的是密度，V指的是体积，f指的是质量流量，下角标1指的互扰控制体1，角标2指的互扰控制体2，in指的是流入，out指的是流出。

[0142] 考虑密度是压力与焓值的函数，将上述方程整理为压力求解的模式：

[0143]

[0144] 式中P指的是压力，h指的是比焓。利用该方程可以求解耦合状态的母管压力。

[0145] c.当互扰控制体处于耦合状态时，采用整体能量守恒的方式计算控制体内的焓值。其中整体能量守恒方程如下所示：

[0146]

[0147] 式中H指的是控制体内的总焓。将能量方程与质量方程合并，转化为比焓的求解模式：

[0148]

[0149] 利用该方程可以求解耦合状态下的母管工质比焓。

[0150] d.当互扰控制体处于耦合状态时，互扰控制体个体与整体间压力一致，压力的变化速度一致，有以下关系：

[0151]

[0152] 通过互扰控制体1，按b步骤建立压力的计算方程为：

[0153]

[0154] 其中f2→1表示由互扰控制体2向互扰控制体1传递的流量。联合互扰控制体1与整体的压力方程，有：

[0155]

[0156] 通过此方程可以计算耦合状态下互扰控制体间的流量。

[0157] e.当互扰控制体处于解耦状态时，利用动量守恒方程，依靠互扰控制体间的压差计算流量：

[0158]

[0159] 式中ζ为阀门引入的阻力系数。将阀门的流动系数KV引入到此方程中，可以得到互扰控制体间流量与阀门KV的关系：

[0160]

[0161] 通过此方程可以计算解耦状态下互扰控制体间的流量。

[0162] f.当互扰控制体处于解耦状态时，利用每个互扰控制体自身的质量守恒方程，计算每个互扰控制体的压力。其中互扰控制体1的压力计算方法同d步骤中的方法，互扰控制体2的计算方法为：

[0163]

[0164] g.当互扰控制体处于解耦状态时，利用每个互扰控制体自身的能量守恒方程，计算每个互扰控制体的比焓。两个互扰控制体的求解方法为：

[0165]

[0166]

[0167] 具体地，当互扰控制体的压力、比焓计算完毕后，如管网是压力边界，则将母管压力直接传回管网，由管网计算流动流量；如管网是流量边界，则依靠步骤e中的方法进行计算流量，计算完毕后传递回管网。传递数据时，向前推进时间步长并输出参数，本步计算结束。

[0168] 本发明的另一实施例公开了一种应用于船舶核动力管网仿真中的母管模拟系统，包括：

[0169] 绘制仿真图模块：根据仿真对象系统的特点，将实际工艺系统转化为以互扰控制体、连接线和母管模型的仿真图，并根据仿真对象实际的结构，选定管网系统与外部系统的边界、管网系统与母管模型的边界；

[0170] 参数传递模块：根据所属仿真图绘制，利用预设的管网模型与母管模型间的数据传递规则将管网边界的压力数据、流量数据与互扰控制体模型进行交互；

[0171] 计算模块：根据母管隔离阀门的状态，确定互扰控制体的解耦与耦合状态；利用传递的边界数据计算母管的热工参数，并向管网模型反馈热力学参数计算结果。

[0172] 为了进一步优化上述技术方案，所述绘制仿真图模块包括：

[0173] 控制体单元，在预设位置设置控制体，在母管位置放置互扰控制体模型图标，模拟母管；对其他各控制体间进行连接，按流动方向顺序使用连接线将控制体串联；

[0174] 边界单元，根据管网与外界的流入与流出状态、传质与传热过程选择管网外部边界，边界类型为压力边界、流量边界、热量边界或温度边界；

[0175] 绘制单元，根据母管与管网间的流动方向和流动状态，设置管网模型与互扰控制体模型间的边界；使用连接线将管网的节点与边界、边界与互扰控制体间进行连接，完成仿真图的绘制。

[0176] 为了进一步优化上述技术方案，参数传递模块包括：

[0177] 压力边界单元：管网与管网的压力边界之间参数传递按管网模型计算方法进行；管网边界向母管的互扰控制体模型传递流动的流量与方向、流入母管的焓值，互扰控制体模型反馈母管的压力、流出的焓值；

[0178] 流量边界单元：管网与管网的流量边界之间参数传递按管网模型计算方法进行；管网边界向母管的互扰控制体模型传递流动下游的压力、流入母管的焓值，互扰控制体模型反馈母管的流动流量及流动方向、流出母管的焓值。

[0179] 为了进一步优化上述技术方案，计算模块包括：

[0180] 判断单元，判断母管隔离阀状态或阀门位置是否影响到流通截面；

[0181] 耦合单元，当母管隔离阀全开，或阀门位置并未影响到流通截面时，处于耦合状态，利用整体质量守恒的方式计算内的压力、焓值，同时根据个体与整体的一致性计算流量；

[0182] 解耦单元，当母管隔离阀处于影响流通截面以后，或是完全关闭时，处于解耦状态，利用动量守恒方程依靠间的压差计算流量、利用每个自身的质量守恒方程计算每个的压力和焓值。

[0183] 具体地，根据判断单元判断结果：

[0184] a.判断互扰控制体的状态。当母管隔离阀全开，或阀门位置并未影响到流通截面时，互扰控制体处于耦合状态，是一个整体；当母管隔离阀处于影响了流通截面以后，或是完全关闭时，互扰控制体处于解耦状态，是两个独立的个体；

[0185] b.当互扰控制体处于耦合状态时，采用整体质量守恒的方式计算控制体内的压力。其中整体质量守恒方程如下所示：

[0186]

[0187] 式中M指的是质量，τ指的是时间，ρ指的是密度，V指的是体积，f指的是质量流量，下角标1指的互扰控制体1，角标2指的互扰控制体2，in指的是流入，out指的是流出。

[0188] 考虑密度是压力与焓值的函数，将上述方程整理为压力求解的模式：

[0189]

[0190] 式中P指的是压力，h指的是比焓。利用该方程可以求解耦合状态的母管压力。

[0191] c.当互扰控制体处于耦合状态时，采用整体能量守恒的方式计算控制体内的焓值。其中整体能量守恒方程如下所示：

[0192]

[0193] 式中H指的是控制体内的总焓。将能量方程与质量方程合并，转化为比焓的求解模式：

[0194]

[0195] 利用该方程可以求解耦合状态下的母管工质比焓。

[0196] d.当互扰控制体处于耦合状态时，互扰控制体个体与整体间压力一致，压力的变化速度一致，有以下关系：

[0197]

[0198] 通过互扰控制体1，按b步骤建立压力的计算方程为：

[0199]

[0200] 其中f2→1表示由互扰控制体2向互扰控制体1传递的流量。联合互扰控制体1与整体的压力方程，有：

[0201]

[0202] 通过此方程可以计算耦合状态下互扰控制体间的流量。

[0203] e.当互扰控制体处于解耦状态时，利用动量守恒方程，依靠互扰控制体间的压差计算流量：

[0204]

[0205] 式中ζ为阀门引入的阻力系数。将阀门的流动系数KV引入到此方程中，可以得到互扰控制体间流量与阀门KV的关系：

[0206]

[0207] 通过此方程可以计算解耦状态下互扰控制体间的流量。

[0208] f.当互扰控制体处于解耦状态时，利用每个互扰控制体自身的质量守恒方程，计算每个互扰控制体的压力。其中互扰控制体1的压力计算方法同d步骤中的方法，互扰控制体2的计算方法为：

[0209]

[0210] g.当互扰控制体处于解耦状态时，利用每个互扰控制体自身的能量守恒方程，计算每个互扰控制体的比焓。两个互扰控制体的求解方法为：

[0211]

[0212]

[0213] 进一步，当互扰控制体的压力、比焓计算完毕后，如管网是压力边界，则将母管压力直接传回管网，由管网计算流动流量；如管网是流量边界，则依靠步骤e中的方法进行计算流量，计算完毕后传递回管网。传递数据时，向前推进时间步长并输出参数，本步计算结束。

[0214] 结合图2‑图3对本发明提供的模拟方法在实际工艺系统中的应用进行说明。其中图2是某实际给水系统的流程图，图3是利用本发明的方法绘制的带有母管的管网模型仿真图。

[0215] (1)绘制仿真图环节，具体应用方法如下：

[0216] a.根据图2中的阀门、泵等设备的位置分布，在合适位置设置控制体6个，在母管位置放置互扰控制体模型图标1个模拟母管；

[0217] b.除代表母管的互扰控制体外，对其他控制体1‑6进行连接，按流动方向顺序使用连接线将节点串联；

[0218] c.根据管网与外界的流入与流出状态、传质与传热过程，对凝水进口选用压力边界91、92，给水出口选择压力边界93、94，凝水回流口选择压力边界95、96；

[0219] d.根据母管与管网间的流动方向和流动状态，设置管网模型与互扰控制体模型间的边界。其中，工质由管网流入母管的凝水设压力边界97、98；当工质由母管流入管网的给水设流量边界123、124，凝水回流设置流量边界121、122；使用连接线将管网的节点与边界、边界与互扰控制体间进行连接，完成仿真图的绘制工作，如图3所示。

[0220] (2)参数传递环节，具体应用方法如下：

[0221] a.压力边界97：管网传递5号线流量、工质比焓给母管，母管传递互扰控制体1压力和内部工质比焓给管网边界97；

[0222] b.压力边界98：管网传递6号线流量、工质比焓给母管，母管传递互扰控制体2压力和内部工质比焓给管网边界98；

[0223] c.流量边界123：管网传递5号节点压力、比焓给母管，母管传递输出流量给7号线、互扰控制体1工质比焓给管网边界123；

[0224] d.流量边界124：管网传递6号节点压力、比焓给母管，母管传递输出流量给9号线、互扰控制体2工质比焓给管网边界124；

[0225] e.流量边界121：管网传递边界95压力、比焓给母管，母管传递输出流量给11号线、互扰控制体1工质比焓给管网边界121；

[0226] f.流量边界122：管网传递边界96压力、比焓给母管，母管传递输出流量给12号线、互扰控制体2工质比焓给管网边界122。

[0227] (3)计算环节，具体应用方法如下：

[0228] a.判断互扰控制体的状态。在图3中，当母管隔离阀位置并未影响到流通截面时，认为互扰控制体1与2处于耦合状态，是一个整体；当母管隔离阀影响了流通截面以后或是完全关闭时，互扰控制体1与2处于解耦状态，是两个独立的个体；

[0229] b.当互扰控制体处于耦合状态时，采用整体质量守恒的方式计算控制体内的压力、整体能量守恒的方式计算控制体内的焓值，流入为5、6号线，流出为7、9、11、12号线；

[0230] c.当互扰控制体处于耦合状态时，互扰控制体个体与整体间压力一致，压力的变化速度一致，据此确定流过母管隔离阀的流量：

[0231] d.互扰控制体处于解耦状态时，利用动量守恒方程，依靠互扰控制体间的压差计算流量；

[0232] e.当互扰控制体处于解耦状态时，利用每个互扰控制体自身的质量守恒方程计算每个互扰控制体的压力、每个互扰控制体自身的能量守恒方程计算每个互扰控制体的比焓。对于互扰控制体1来说，流入为5号线、互扰控制体2向互扰控制体1的流动，流出为7、11号线；对于互扰控制体2来说，流入为6号线，流出为互扰控制体2向互扰控制体1的流动以及9、12号线；

[0233] f.进行边界参数计算与传递。直接将互扰控制体1压力传递给压力边界97，互扰控制体2压力传递给压力边界98，由管网计算流动流量5、6；通过动量方程计算7、9、11、12线的流量，计算完毕后传递回管网。传递数据时，向前推进时间步长并输出参数，本步计算结束。

[0234] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

[0235] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。