流体管网建模仿真优化一体化软件FloTides
流体管网建模仿真优化一体化软件FloTides是⼀款完全国产⾃主研发的针对流体管网系统的集快速建模、热流固耦合仿真及系统优化于一体的正向设计软件。
1. 先进的软件构架
FloTides软件具有先进的软件构架,基于MBSE的框架理论,不仅软件一体化程度高,能在软件内无缝实现建模、仿真、分析、优化等功能,还能与外部三维建模软件通过接口实现互通,极大提升工程师在管网设计优化过程的用户体验和工作效率。
2. 稳定的核心求解器
FloTides软件通过建立流体网络内所有节点上的连续方程、能量守恒方程、组分守恒方程与各支路上的动量守恒方程,结合相应状态方程,构建了通用流体管网的数学模型。在开发过程中,所有数学模型均根据权威文献数据做了严格测试,以确保结果的准确性和一致性。
3. 友好的可视化交互界面
FloTides软件为用户提供友好的交互界面和简洁的功能区划分,合理地规划软件指令、科学地展示各类信息,帮助工程师高效开展工作。
4. 内嵌的统一数据库
FloTides软件内嵌有稳健的统一数据库,该数据库是一个可部署在网络上的、具有版本控制功能的数据存储中心。通过内嵌数据库可方便地保存和重复使用已有设计模型、仿真模型、试验数据以及自定义函数等。所有设计过程中的参数传递都能借助数据库完成自动完成,无需手工调取,保证数据传递过程的准确无误。
FloTides软件的数据库还具备极高的开放性和扩展性,允许用户自行创建数据记录类型并通过脚本指定属性,提升工作效率。
5. 内嵌国内/国际元件计算标准
在管网系统设计中,用户可以在即用型元件的性能模型中选用以D.S. Miller的《Internal Flow Systems》为代表的一系列流损计算标准,以快速建立管网系统数字模型。这些性能模型是基于长期的工业规模验证的高度准确的模型。
元件的性能模型库,内嵌如下标准/手册:
Ø 通用:D.S. Miller的著作《Internal Flow Systems》
Ø 空调:实用供热空调设计手册第二版
Ø 消防:消防GB-50084、消防GB-50974、消防NFPA-13
Ø 核电:Crane TP410
Ø 企标:用户自定义元件库
6. 丰富的元件库和工质库
FloTides软件内置丰富的通用元件库,包含阀门、管道、换热器、泵、阻力元件、孔口元件、共轭传热、监测元件等15大类130种元件,能基本满足工业领域众多行业用户的热流体系统建模需求。软件提供元件库的二次开发接口,可增加用户特定类型的元件模型。
FloTides软件集成了NIST工质物性库,可对流体进行真实物性计算,软件中还添加了核电、航空、船舶、消防等领域中的特殊流体物性,如海水、硼酸溶液、重水、航空煤油、润滑油等。软件还可以对不同流体进行任意比例混合,并对其进行热力学和流体力学性能计算。
太泽科技将在后续开发中不断拓展元件库与工质库,致力于软件的持续成长和应用边界的持续延伸。
FloTides软件灵活的后处理功能帮助工程师从不同维度和视角获得多元信息,从而做出高质量的关键决策。
软件支持多种形式的后处理,包括:
(1)元件的参数浮动显示
(3)云图
(4)文本报告及导出
(3)云图
(3)云图
(4)文本报告及导出
(5)参数表格及导出
(6)曲线及导出
对于热流体管网系统中的关键或复杂元件(如泵、压气机、换热器、蒸汽发生器等),FloTides软件可为利用基于AI的数据校准功能为用户提供高精度模型。
数据校准功能是太泽科技独有的专利技术,通过引入试验数据或CFD数据,软件将这些元件的经验模型予以自动校准,从而得到具有高度准确性和强大性能预测能力的新模型。数据校准功能可以为用户提高系统仿真的精度,显著提升仿真效果。
对于流体管网中高变量、多目标、小样本的优化问题,FloTides软件内嵌的优化器可以高效、精确地辅助用户做出优化决策。
相较于传统的管网仿真软件,FloTides软件具备领先的流固耦合传热仿真能力。在构建传热网络时,软件可将固体作为计算节点纳入仿真,与环境节点、导热体共同作用,从而解决固体间热传导、固体间热辐射、固体-环境传热、流固耦合传热等问题的计算。这对于进行流体管网系统复杂的传热分析提供了极大的便利。
为了实现复杂系统的协同仿真,将不同学科的模型集成到一个系统中进行设计、模拟和分析,FloTides软件支持国际通用FMI标准协议的 FMU 功能模拟单元。FloTides软件可将诸如CFD模型、FEA模型等高精度模型,以及其他软件输出的诸如控制模型、电路模型等其他学科模型以FMU的形式接入管网模型,实现多物理场的协同仿真,也可将管网模型导出为FMU形式,接入其他系统进行协同求解。
通过嵌入式的CFD模块或以FMU功能模块与其他CFD软件连接,FloTides软件可以实现1D-3D的联合仿真,提升系统关键元件的仿真精度。软件能够自动将边界条件和元件参数传递给CFD软件,也能将CFD的仿真结果传回系统模型,用于系统分析或优化元件选型。
模型降阶是一类将高特征维度的复杂系统通过神经网络或统计学/数学方法降低特征维度从而形成简化系统模型的方法,其生成的简化模型称为降阶模型(Reduced Order Model)。
降阶模型具有快速响应,占用计算资源少的特性,可以满足性能快速预测、优化设计、全生命周期故障预测与健康管理等需求。
FloTides软件可以将复杂或关键部件的CFD仿真数据或试验数据训练为降阶模型插入流体管网中,其计算精度远高于经验模型,又不需占用大量计算资源,可以很好地满足详细设计的需求。或者可将部分管网子系统封装成保留数个输入输出接口的子系统降阶模型,封装后的子系统可以作为高精度的“构建块”保留在数据库中,方便随时调用。还可以将整个管网系统训练成数个关键输出对于数个关键输入的降解模型,可用于流体管网系统现场调试/运维的实时仿真分析,也可以用于与其他学科系统模型(如机械、控制等)联合快速仿真分析等领域。
FloTides软件的系统几何模型导入、快速建模功能可以为工程师节约超过90%用于构建系统仿真模型的时间。只需简单的几步操作,软件就能将PID控制原理图、管网正等轴测图、原生三维CAD模型导入软件并自动创建模型。
消防管网模型快速导入软件案例:
消防管网系统快速导入,并能直接在导入模型上完成系统性能验证、系统选型优化、系统运行状态模拟等功能。
1) 水泵阀门管网系统的数字模型构建
通过FLOTIDES软件完成对水泵阀门管网系统的一维建模
系统构建技术点:
a) 增压泵水力曲线获取并应用计算
b) 诱导轮数据获取并计算常规工况
c) 调节阀组进行简化视为阻力件
d) 换热器与过滤器用经验损失系数计算
e) 实际管道尺寸参数获取并应用计算
f) 管路流量分布情况符合实际工况
g) 通过改变调节阀组的损失系数大小控制管路流量
对于其中关键部件:带诱导轮的水泵,进行高精度建模,并且应用模型降阶技术,结合水泵的试验数据与CFD仿真计算结果,制作水泵的高精度降阶模型,集成在管网模型中,提升系统仿真的精度,获得更全面的性能预测效果。
最终实现数字孪生中数字模型的构建,能实现三维可视化、系统性能预测、故障模拟与预测、关键设备余寿估算等全生命周期数字模型的应用功能。
2)高温供气管网系统的数字模型构建
某高温供气管网系统是某高性能试验台的重要部分,为实现该系统的以快速、安全调节系统,同时节约试验用气的目标,和关键设备电加温器的健康管理的需求,需要建立高温供气管网系统的数字模型,应用此模型实现系统中阀门组的调控策略优化和关键设备故障预测和健康管理。
通过专家组研究对关键部件电加温器模型进行了等效简化,并且应用FLOTIDES软件实现了电加温器的建模。
并将关键元件模型集成在高温供气系统中。
该模型可以快速实现阀门组控制策略生成与优化,可作为自动控制的依据。
关键部件加温器的模型能够获得其中各个节点的物理性质,包括无法直接测量的加热筒内壁温度等,能够实现虚拟传感器数据测量的功能。
通过使用该高温供气管网系统数字模型进行计算并且与试验测量的数据进行对照,发现了试验中的数据异常点,并且能够通过数据对比,结合专家经验,定位发生故障的准确部位和故障与原因,实现故障预测与健康管理的功能。
3.技术优势(1)内置丰富可靠的工质库与元件库
FloTides软件内置工质库包括NIST工质库以及核电、航空、船舶、消防等领域的常用工质;元件库包含阀门、管道、换热器、泵、阻力元件、孔口元件、共轭传热、监测元件等15大类130种元件,能基本满足工业领域众多行业用户的热流体系统建模需求。
(2)建模方便灵活,支持外部导入
FloTides软件建模可从元件库中拖取元件,快速实现管网建模,逻辑清晰,操作简洁,修改方便;软件支持从主流工艺二维、三维管网建模软件快速导入并在软件内重建,能自动识别管网模型的部件类型、数量、功能、位置关系,建模快速准确。
(3)高精度降阶模型,数模融合提升模型性能
FloTides软件支持数据校准技术与模型降阶技术,能根据客户需求将管网中的复杂部件的经验模型替换为数据校准后的降阶模型,大大提高复杂部件的仿真精度,同时保持管网模型的快速响应性能,为数字孪生体的构建提供强有力的技术支撑。
(4)多学科、多目标的内置优化技术
FloTides软件内置集成了第四代基于AI/ML的优化算法的自主研发优化器,寻优速度快,运行稳定。优化器能自动关联优化参数、约束条件与优化目标,高效易用,能通过简单设置实现自动优化。可实现复杂管网的结构优化、元件选型寻优、运行策略提升等功能。
(5)内嵌统一数据库,数字知识资产积累
FloTides软件以先进的内嵌数据库为软件的基石,内嵌统一数据库能将有效设计案例、试验与仿真数据、封装模型、调参设定等以数字资产的形式沉淀入库,同意数据库包括模型库、数据库、案例库等,适用于管理、调用、更新和数字化交付。
4.用户价值
(1)建模仿真优化一体化提高设计效率
FloTides软件将设计与优化紧密结合,可以提升复杂管网设计流程,优化操作更加简便,优化结果利用率大幅提高,设计开发流程向智能化、数字化发展,提高设计效率。
(2)高精度数字模型提升数字试验效果
FloTides软件使用基于精确数据的模型校准功能对燃油、滑油和空气系统中的关键部件建立高精度数字模型,有效地将试验数据与仿真模拟融合应用,既能让试验数据真正产生价值,也可以提升管网系统模型的精确度,使得数字试验获得更加贴合实物试验的数据,提高工况预测的准确性,获得更好的数字试验效果。
(3)构建数字孪生模型,服务全生命周期
FloTides软件有助于构建管网系统的数字孪生模型,由此实现从设计研发到仿真验证到调试运维的全生命周期的贯通,对流体管网进行高效准确的建模仿真分析,能预测和识别潜在的运行异常和故障、优化运行策略、实现故障模拟与排查、优化资源管理与配置、提高运维效率与可靠性。
(4)完全自主研发,高质量长期服务
FloTides软件是完全自主研发的工业软件,保证关键研发工具不受外界影响被迫中止服务或者版本更新,提供高质量、高效率、长期稳定的本土技术支持、定制开发和软件升级等服务。
FloTides软件应用于核电、船舶、航空、燃机、汽车、消防、暖通等工业领域,尤其适用于由众多流体部件组成的复杂热流体网络系统的设计、优化与运维需求。
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