Дополнительные параметры для расчета гидроудара
Гидравлический удар является переходным процессом в трубопроводной системе - т.е., процессом перехода режима работы данной системы из одного стационарного состояния в другое. К примеру, расчет гидроудара от закрытия задвижки - это расчет процесса перехода трубопровода из состояния, при котором задвижка открыта, в то состояние, при котором она закрыта. Поэтому для выполнения расчета гидроудара прежде всего нужно произвести расчет стационарного (установившегося) течения (изотермический, тепловой или проектный), результаты которого будут служить отправной точкой для моделирования процесса гидроудара.
Кроме этого, для выполнения расчета гидроудара необходимо также указать ряд дополнительных параметров и настроек. К ним относятся:
Как и все другие переходные процессы, процесс гидравлического удара инициируется различного рода событиями. При расчете гидроудара в Гидросистеме в роли таких событий могут выступать:
закрытие арматуры (задвижек, затворов, клапанов и т.д.)
открытие арматуры (задвижек, затворов, клапанов и т.д.)
выключение насосов
запуск насосов
Допускается задание как одного, так и нескольких различных (в том числе неодновременных) событий. Чтобы задать событие, являющееся причиной гидроудара, выделите соответствующий элемент трубопровода (арматуру или насос) и откройте для него вкладку "Гидроудар" в Окне параметров объекта.
Для арматуры на этой вкладке необходимо задать следующие параметры:
закон изменения состояния (открытия или закрытия) арматуры - с помощью данного параметра описывается характер изменения во времени пропускной способности арматуры. То есть, по сути здесь необходимо указать тип зависимости расхода продукта через арматуру от положения ее запирающего элемента. Для различных видов арматуры данная зависимость может иметь различную форму - она может быть близка как линейной функции, так и к различным гладким зависимостям (к полиномиальному сплайну или функции косинуса). Характер данной функции для рассматриваемой арматуры обычно можно найти либо в справочной литературе, либо в ее паспортных характеристиках. Однако, следует помнить, что при плавном изменении состояния арматуры сила гидроудара довольно слабо зависит от формы функции (гораздо сильнее она зависит от скорости открытия/закрытия да и то не во всех случаях). Поэтому даже если выбрать некорректную функцию (к примеру, в случае отсутствия данных сведений по арматуре), погрешность расчета будет невелика. Также для арматуры можно задать скачкообразное (мгновенное) изменение состояния, которое будет рассматриваться как открытие/закрытие арматуры за бесконечно малый промежуток времени. По умолчанию для арматуры выбрано "Неизменное" состояние;
конечная степень закрытия арматуры - здесь можно указать конечное положение запирающего элемента арматуры, моделируя таким образом ее неполное открытие и закрытие. Однако, в текущей версии программы данный расчет доступен только в режиме бета-тестирования и только для "концевых" задвижек (являющихся последними элементами в ветви);
время изменения состояния - здесь указывается продолжительность открытия/закрытия арматуры;
время начала изменения состояния - здесь необходимо указать момент времени, в который начинает наступать данное событие. Если рассматривается процесс гидроудара, вызванный одним единственным событием (или несколькими одновременными событиями), то задавать время начала изменения состояния N, отличное от 0, не имеет смысла. В этом случае первые N секунд просто ничего не будет происходить, параметры потока будут постоянными, так что это лишь увеличит время выполнения расчета. Если же необходимо рассчитать процесс гидравлического удара, инициированного несколькими неодновременными событиями, то с помощью данного параметра можно "разнести по времени" эти события, указав для каждого из них момент времени (относительно некой начальной точки отсчета - нулевого момента времени), в который начинает происходить данное событие. За начальную точку отсчета обычно принимают время начала первого события.
При расчете гидравлического удара, вызванного включением/отключением насосов, необходимо на вкладке "Гидроудар" для насоса задать следующие параметры:
вид изменения состояния - по умолчанию для насоса выбрано неизменное состояние, но здесь при необходимости можно смоделировать его запуск или останов;
время выбега насоса - данный параметр определяется следующим образом:
где 
– суммарный момент инерции всех вращающихся масс на валу агрегата "насос + электродвигатель" (кг*м2); 
– номинальная частота вращения магнитного поля электродвигателя (сек-1); 
– момент вращения насоса на данной частоте (Н*м).
Время выбега является интегральным параметром, характеризующим инерционные свойства вращающихся деталей агрегата "насос + электродвигатель". Если все указанные выше параметры имеются в паспортных характеристиках насоса (или их можно определить опытным путем), время выбега можно вычислить напрямую по формуле выше и ввести в соответствующее поле. Если же некоторые из этих данных трудно раздобыть или их достоверность вызывает сомнения, рекомендуется использовать в расчете некие "характерные" значения времени выбега насоса. Практика показывает, что зачастую увеличение времени выбега даже в несколько раз не вызывает существенных изменений в общей картине процесса гидроудара. Поэтому даже приближенное значение времени выбега насоса может дать приемлемую точность расчета гидроудара;
частота вращения магнитного поля - для "типовых" частот вращения рабочего колеса насоса (которые в свою очередь задаются в характеристиках насоса) данный параметр рассчитывается программой автоматически и задавать его не потребуется. Однако для некоторых частот (например, 1950 или 2650 об/мин) данный пересчет может не работать, поэтому в этих случаях необходимо вручную задать частоту вращения магнитного поля;
время начала изменения состояния - здесь необходимо указать момент времени, в который наступает данное событие. Если рассматривается процесс гидроудара, вызванный одним единственным событием (или несколькими одновременными событиями), то задавать время начала изменения состояния N, отличное от 0, не имеет смысла. В этом случае первые N секунд просто ничего не будет происходить, параметры потока будут постоянными, так что это лишь увеличит время выполнения расчета. Если же необходимо рассчитать процесс гидравлического удара, инициированного несколькими неодновременными событиями, то с помощью данного параметра можно "разнести по времени" эти события, указав для каждого из них момент времени (относительно некой начальной точки отсчета - нулевого момента времени), в который начинает происходить данное событие. За начальную точку отсчета обычно принимают время начала первого события.
Граничные условия в узлах трубопровода
Для большинства узлов трубопровода граничные условия расчета гидроудара заранее определены методикой расчета. К примеру, в узлах соединения ветвей краевыми условиями является баланс расходов в узле и совпадение давлений (сами значения давлений либо задаются в исходных данных, либо определяются в ходе расчета стационарного течения). А концевые узлы трубопровода, в которых содержится "точечное" гидравлическое сопротивление (например, вход в трубу или арматура), рассматриваются как узлы отражения ударных волн, и граничным условием для данных узлов является постоянство давления в узле (значение которого опять же, либо задается в исходных данных для узлов, либо определяется в ходе изотермического, теплового или другого расчета стационарного течения). Задавать граничные условия для таких узлов не требуется.
Однако, для концевых узлов трубопровода, в которых нет "точечных" гидравлических сопротивлений, можно указать различные граничные условия для расчета. Для этого нужно выделить такой узел и в Окне параметров объекта для него открыть вкладку "Гидроудар" (если данная вкладка для узла отсутствует, значит либо данный узел не является концевым, либо в нем имеется точечное сопротивление):
По умолчанию для такого узла учитывается отражение ударных волн и краевым условием является постоянство давления в узле, но при необходимости здесь можно:
включить/отключить отражение волн - отключение отражения волн может потребоваться, к примеру, для моделирования точки подключения расчетного фрагмента трубопровода к другой его протяженной части, которую не требуется рассчитывать (то есть, ударная волна в этом узле "уходит из трубопровода и не возвращается"). Однако, следует понимать, что это является в большой степени идеализацией, поскольку даже в очень протяженном и объемном трубопроводе ударная волна рано или поздно дойдет до его начала/конца (точки соединения трубопровода с "внешним миром") и отразится обратно. Поэтому чтобы расчетная модель трубопровода адекватно описывала поведение реальной трубопроводной системы при гидравлическом ударе, рекомендуется выстраивать модель трубопровода полностью - от точек начала реальной трубопроводной системы (в которых трубопровод соединяется с оборудованием/устройствами, из которых черпается продукт) до конечных точек трубопровода (в которых он соединяется с оборудованием/устройствами, в которые этот продукт подается). Для таких начальных/конечных точек отражение волн следует включать;
краевые условия - задаются только в случае, если выбрано отражение волн. В качестве краевых условий в узле могут быть заданы:
условие постоянства давления - наиболее частый на практике случай, так как зачастую в схеме трубопровода, смоделированной для проведения расчета гидроудара, начальными/конечными элементами схемы являются сосуды/аппараты с перекачиваемым продуктом, давление в которых без заметной погрешности можно считать постоянным (их незначительные колебания на картину процесса гидроудара практически не влияют) и независящим от явлений, которые происходят в трубопроводной системе;
условие постоянства расхода - данный случай на практике встречается крайне редко, поскольку при переходных процессах, вызванных открытием/закрытием арматуры или включением/выключением насосов, величина расхода может оставаться постоянной только в очень редких "экзотических" случаях (к примеру, если у потребителя установлен регулятор расхода, который очень быстро отзывается на изменение параметров потока в трубопроводе и продолжает поддерживать заданный постоянный расход даже при существенных изменениях режима работы трубопроводной системы);
закон изменения расхода или давления во времени - данный тип краевых условий используется, если в данном узле трубопровода находится оборудование/устройство, давление/расход в котором со временем меняется за счет каких-либо "внешних" причин (как правило, связанных с технологией процесса в данном оборудовании), не связанных с явлениями, происходящими в самой трубопроводной системе. Данные краевые условия в узле задаются в виде загрузки в программу специального файла .csv с таблицей значений, в которой первая графа – время (в секундах), вторая – параметр (расход или давление в тех единицах измерения, которые выбраны для текущего проекта), разделитель – точка с запятой. В качестве примера ниже приведено содержимое .csv файла (открытого в стандартном приложении Блокнот), с помощью которого моделируется следующее условие: в первую секунду переходного процесса давление в узле постоянно и равно 0.7МПа, в последующие за этим две секунды давление увеличивается до 2МПа, после чего остается постоянным до окончания переходного процесса:
После загрузки .csv файла необходимо в соответствующем выпадающем списке указать вид аппроксимации зависимости, приведенной в данном файле (линейная, тригонометрическая или сплайнами). Загруженный .csv файл можно открыть в Microsoft Excel (если он установлен на данном компьютере), нажав на соответствующую кнопку справа от переключателя.
При задании граничных условий в концевых узлах трубопровода следует внимательно изучить принцип работы данной трубопроводной системы и понять, что именно из себя представляет каждая из начальных и конечных точек модели трубопровода (что они моделируют, присоединение трубопровода к какому-либо оборудованию или что-то еще), после чего для каждой из них (кроме тех, в которых находится точечный элемент) задать подходящее условие.
Результаты расчета любого переходного процесса, в том числе и процесса гидравлического удара, удобнее всего представлять в виде графиков изменения во времени параметров потока в трубопроводе (давлений, скоростей движения продукта и т.д.) в интересующих точках трубопровода. Чтобы добавить такие точки (в Гидросистеме они носят название "точек наблюдения" за параметрами потока), необходимо активировать команду "Значения в точке" 
Панели гидроудара, после чего кликнуть правой кнопкой мыши в желаемое место установки точки на схеме трубопровода (в текущей версии программы точки можно добавлять только в участки труб) и выбрать соответствующий пункт всплывающего меню:
В появившемся окне нужно задать название точки и указать ее расположение относительно начала выбранного участка трубы:
Добавленная точка будет отображаться на схеме трубопровода. Таким же образом можно отредактировать наименование/расположение уже заданной на схеме точки наблюдения (а также удалить ее), кликнув на нее правой кнопкой мыши на схеме с активированной командой "Значения в точке" Панели гидроудара.
Количество точек наблюдения для трубопровода неограничено, однако добавлять точку наблюдения "через каждые 10 метров трубы" большого смысла не имеет, так как при прохождении таких коротких расстояний ударная волна, как правило, не претерпевает значительных изменений (не успевает заметно ослабиться или усилиться). Поэтому результаты расчета для таких точек будут идентичны. Обычно точки наблюдения добавляются в местах трубопровода, представляющий наибольший интерес (к примеру, до и после арматуры или насоса с изменяющимся состоянием, где как правило, скачок давления имеет максимум), а также в наиболее "ветхих" участках трубопровода и элементах, способных выдержать наименьшую нагрузку.
Параметры для расчета скорости ударной волны
Величина повышения давления при гидроударе, а также периоды колебаний параметров потока в трубопроводе во многом зависят от скорости распространения ударной волны. При определении программой скорости ударной волны в расчете учитывается как величина изотермической скорости звука в жидкости, так и поправка на упругость тонкостенных труб (последняя – только в случае, когда задан наружный диаметр трубопровода и модуль упругости материала стенки трубы).
Изотермическая скорость звука в продукте рассчитывается автоматически. Однако, важно учитывать, что термодинамическая библиотека "Свойства" не позволяет рассчитывать скорость звука в жидкости, так же как и принимаемая по умолчанию термодинамическая модель библиотеки Simulis Thermodynamics. Кроме того, при явном задании теплофизических свойств продукта скорость звука может быть рассчитана, только если задан коэффициент сжимаемости жидкости (он задается в параметрах расчета гидравлического удара на вкладке "Гидроудар" окна параметров объекта для трубопровода). Поэтому для корректного учета скорости звука при расчете гидроудара рекомендуется использовать для моделирования продукта следующие методы расчета свойств:
для воды - библиотеку WaterSteamPro (Вода/пар по IAPWS-IF97);
для сжиженных углеводородов и природных газов - библиотеку GERG-2008;
для других продуктов -
либо библиотеку СТАРС,
либо Simulis Thermodynamics с термодинамической моделью LKP (которая адекватно рассчитывает величину скорости звука в жидкости),
либо явное задание свойств с указанием коэффициента сжимаемости.
Во всех остальных случаях скорость звука в расчете будет полагаться равной некоему усредненному значению 1000м/с.
Кроме того, для корректного учета поправки на упругость тонкостенных труб при расчете скорости ударной волны следует задавать наряду с внутренним величину наружного диаметра трубопровода при задании ветвей, переходов и других элементов со сменой диаметра, а также указать материал стенки трубопровода или ввести величину его модуля упругости. Для этого выделите в дереве проекта трубопровод и затем в Окне параметров объекта откройте вкладку "Среда":
Особенно это важно для тонкостенных труб большого диаметра, так как для них поправка на упругость труб может быть значительной.
Чтобы задать общие настройки для расчета гидравлического удара, выделите в дереве проекта трубопровод и откройте для него вкладку "Гидроудар" Окна параметров объекта. Здесь следующие сведения:
Общее время счета показывает, какой промежуток времени с момента начала переходного процесса (гидроудара) требуется просчитать. Для расчета можно выбирать различное общее время счета в зависимости от расчетного сценария возникновения гидроудара и цели вашего расчета. Не забывайте, что если выбрано достаточно большое время счета и расчет гидроудара выполняется долгое время, не обязательно ждать завершения выполнения расчета. Расчет гидроудара в любой момент можно "поставить на паузу" с помощью соответствующей кнопки Панели гидроудара и вывести результаты расчета по уже просчитанному на данный момент промежутку времени. После этого можно продолжить выполнение расчета или же остановить его, если требуемая цель расчета уже достигнута;
Шаг вывода данных - данный параметр определяет, с какой точностью будут выводиться результаты расчета на графиках. Чем меньше шаг, тем более точными будут результаты расчета, но тем дольше будет выполняться расчет гидроудара. И наоборот - чем больше шаг, тем быстрее выполнится расчет, но тем ниже будет его точность. Выбор подходящего шага вывода данных для расчета гидроудара той или иной трубопроводной системы - это в большой степени "творческий" процесс. Дело в том, что величина шага вывода данных, достаточная для получения требуемой точности расчета, во многом зависит от структуры трубопровода (от длин наиболее коротких участков в схеме), от характера событий, вызывающих гидроудар (резких/плавных), от скорости распространения ударной волны и других факторов. Поэтому, к сожалению, невозможно дать универсальные рекомендации касаемо того, какой шаг вывода данных следует использовать в расчетах. Обычно на практике при выборе шага вывода данных поступают следующим образом: сначала выполняется расчет гидроудара для трубопровода с довольно крупной величиной шага вывода, после чего проводят расчеты для более мелких шагов, постепенно уменьшая шаг и сравнивая результаты расчета с предыдущими. С уменьшением шага вывода результаты расчета будут все точнее и точнее (графики колебаний давлений и других параметров потока будут выглядеть все более "физично"), и при определенной величине шага вывода данных наступит такой момент, когда очередное уменьшение шага не приведет к критичному с точки зрения цели расчета изменению результатов расчета. В этом случае считается, что достигнута предельная точность расчета для данной модели трубопровода и оптимальным для нее является текущий шаг вывода. Дальнейшее уменьшение шага в этом случае не имеет смысла - оно только приведет к замедлению хода выполнения расчета, но не принесет существенного увеличения точности;
Обратите внимание, что следует различать такие понятия как "шаг счета" гидроудара и "шаг вывода" результатов его расчета. Если шаг вывода показывает, с какой точностью нужно выводить результаты расчета, то шаг счета показывает, с какой точностью выполняется сам расчет, и значения этих двух параметров могут не совпадать. Шаг вывода задается пользователем в настройках расчета гидроудара, в то время как шаг счета выбирается программой автоматически следующим образом: в качестве шага счета используется меньшая из двух величин - отношения длины самого короткого участка в трубопроводе к скорости распространения ударной волны и заданного пользователем шага вывода. То есть, даже если пользователь задал относительно высокую величину шага вывода, то и в этом случае расчет гидроудара будет производиться с достаточной точностью, чтобы ударная волна была "поймана" в каждом даже самом маленьком участке как минимум один раз (просто в результаты расчета будут выведены не все из моментов времени, для которых были определены параметры потока). А если пользователь задает маленькую величину шага вывода, то и шаг счета при этом берется такой же, чтобы гарантировать заданную точность результатов.
Использовать определенные ниже временные параметры - если данная опция отключена, то для расчета гидроудара будут использоваться следующие настройки:
шаг вывода данных будет принят равным шагу расчета гидроудара, который как было сказано выше, определяется как отношение длины самого короткого участка в трубопроводе к скорости распространения ударной волны. Такой алгоритм выбора величины шага счета позволяет получить хорошую точность расчетов (таким образом ударная волна будет "поймана" в каждом даже самом маленьком участке как минимум один раз) при относительно высокой скорости расчета. Однако, в отдельных случаях, особенно при расчете сложных и протяженных трубопроводов, расчет с таким шагом может занимать довольно долгое время. Поэтому для его ускорения следует увеличить шаг вывода результатов. Шаг счета в этом случае не изменится, но благодаря тому что количество точек, для которых будут выводиться результаты расчета, уменьшится, это позволит достичь увеличения общей скорости расчета (однако это может привести к меньшей точности построения графиков с результатами расчетов). Кроме того, если требуется повысить точность расчета, можно уменьшить шаг вывода данных – шаг счета в этом случае также уменьшится;
общее время счета берется равным времени прохождения ударной волны между двумя самыми удаленными точками трубопровода, если гидроудар вызван мгновенным событием или, если гидроудар вызван плавным событием - продолжительности данного события. Расчет с данными настройками позволит рассчитать только первый пик колебаний параметров потока в трубопроводе, поэтому для оценки динамики колебаний параметров потока (для определения периодов колебаний, динамики затухания колебаний и т.д.) рекомендуется включить опцию "Использовать определенные ниже временные параметры" и задать общее время счета и шаг вывода данных вручную.
Учитывать кавитацию - если данная опция отключена, то расчет гидроудара выполняется по несколько упрощенной модели, рассматривающей перекачиваемую жидкость как некую идеализированную среду, выдерживающую любое разрежение и остающуюся при этом в жидком состоянии. Обратите внимание, что в этом случае результаты расчетов могут показывать падение давления в процессе гидроудара ниже абсолютного нуля (что, конечно, невозможно) из-за упрощений, сделанных в данной модели. Несмотря на упрощенный характер данной модели, она отлично подходит для расчета гидроудара, при которых давление продукта остается на относительно высоком уровне. Если же давление при гидроударе опускается ниже давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости (такое может быть при волнах разрежения с большой амплитудой, к примеру, в точках трубопровода после закрывающейся арматуры или в других точках трубопровода в тот момент, когда вслед за ударной волной проходит волна понижения давления), то для более корректного учета таких явлений следует включить данную опцию. В этом случае расчет будет выполняться с учетом вскипания жидкости (кавитации), в ходе которого программа будет определять места образования кавитационных каверн, учитывать их возникновение и схлопывание, а также учитывать распределенную кавитацию и т.д. Однако, сам расчет в этом случае будет выполняться немного медленнее, нежели расчет без учета кавитации, что может быть критично для сложных и протяженных трубопроводных систем. Поэтому при необходимости учет кавитации можно включать/отключать.
Коэффициент сжимаемости жидкости (1/МПа) - задается при явном задании свойств продукта для более точного расчета скорости ударной волны.
Расчет и экспорт усилий при гидроударе
Помимо расчета параметров потока в трубопроводе (давлений, скоростей движения продукта и т.д.) при расчете гидроудара можно также определять несбалансированные силы, возникающие при гидравлическом ударе между любыми парами точек наблюдения. Для расчета таких усилий прежде всего необходимо указать, между какими точками наблюдения трубопровода (подробнее о задании точек наблюдения см. выше) их необходимо определять. Для этого выделите в дереве проекта трубопровод, откройте для него вкладку "Гидроудар" Окна параметров объекта и нажмите в ней кнопку "Таблицы усилий…":
Для добавления/удаления/редактирования таблиц усилий в появившемся окне используйте соответствующие кнопки в правой верхней части этого окна.
При задании таблиц усилий для точек, между которыми будет рассчитываться сила, можно включить или отключить учет усилий в самой точке. Отключение учета усилий в точке может потребоваться в случаях, когда данная точка находится на границе расчетной модели трубопровода (к примеру, в заглушке, аппарате, месте соединения с другим трубопроводом, и т.д.) и если есть уверенность, что условия закрепления данной части воспринимают усилия и не передают их на рассчитываемую часть трубопровода (например, в точке находится "мертвая" опора или опоры аппарата). В противном случае усилия в точке лучше учесть.
Обратите внимание, что обе точки наблюдения, между которыми считаются усилия, должны находиться в одной ветви трубопровода и на одной линии.
Если для трубопровода заданы таблицы усилий, то при выполнении расчета гидроудара помимо значений параметров потока в трубопроводе (давлений, скоростей движения продукта и т.д.) будут также рассчитаны несбалансированные силы между заданными точками и их изменение во времени. Рассчитанные усилия затем можно просмотреть в виде графиков их изменения во времени с помощью соответствующей команды меню "Расчет – Графики в точках наблюдения" или Панели гидроудара, а также экспортировать программу прочностного анализа трубопроводов САЕSAR II (подробнее об этом см. тут) для их учета в прочностном расчете.
Также в Гидросистеме предусмотрен расчет возникающих при гидроударе усилий в узлах и сопротивлениях трубопровода и их последующий экспорт в программу прочностного анализа трубопроводов "СТАРТ-Проф". Подробное описание данной функции приведено тут.