液压管道系统

在CalculiX中，可以进行稳态液压和气动网络计算，既可以作为独立应用，也可以与相邻结构的机械和/或热计算一起进行。这里分析了一个在[11]中讨论的独立液压网络。输入卡pipe.f可以在测试套件中找到。

**图22:** 液压网络几何形状
$\begin{figure}\epsfig{file=geopipe.eps,width=12cm}\end{figure}$

网络几何形状如图22所示。它是一个线性网络，包括：

上游水库，水面高程14.5 m
入口，收缩0.8
管道，长度5 m，直径0.2 m
45°弯头，半径0.3 m
管道，长度5 m，直径0.2 m
管道，长度5 m，直径0.3 m
管道，长度2.5 m，直径0.15 m
E处的闸阀， $\alpha$ = 0.5
管道，长度1.56 m，直径0.15 m
出口到水库，水面高程6.5 m

所有管道的曼宁摩擦系数n=0.015。输入卡如下：

**
**   Structure: pipe connecting two reservoirs.
**   Test objective: hydraulic network.
**
*NODE,NSET=NALL
2,0.,0.,14.5
3,0.,0.,14.5
4,0.,0.,12.325
...
26,14.9419,0.,6.5
*ELEMENT,TYPE=D,ELSET=EALL
1,0,2,3
2,3,4,5
...
13,25,26,0
*MATERIAL,NAME=WATER
*DENSITY
1000.
*FLUID CONSTANTS
4217.,1750.E-6,273.
*ELSET,ELSET=E1
2
*ELSET,ELSET=E2
3,5
*ELSET,ELSET=E3
4
*ELSET,ELSET=E4
6
*ELSET,ELSET=E5
7
*ELSET,ELSET=E6
8
*ELSET,ELSET=E7
9,11
*ELSET,ELSET=E8
10
*ELSET,ELSET=E9
12
*ELSET,ELSET=E10
1,13
*FLUID SECTION,ELSET=E1,TYPE=PIPE ENTRANCE,MATERIAL=WATER
0.031416,0.025133
*FLUID SECTION,ELSET=E2,TYPE=PIPE MANNING,MATERIAL=WATER
0.031416,0.05,0.015
*FLUID SECTION,ELSET=E3,TYPE=PIPE BEND,MATERIAL=WATER
0.031416,1.5,45.,0.4
*FLUID SECTION,ELSET=E4,TYPE=PIPE ENLARGEMENT,MATERIAL=WATER
0.031416,0.070686
*FLUID SECTION,ELSET=E5,TYPE=PIPE MANNING,MATERIAL=WATER
0.070686,0.075,0.015
*FLUID SECTION,ELSET=E6,TYPE=PIPE CONTRACTION,MATERIAL=WATER
0.070686,0.017671
*FLUID SECTION,ELSET=E7,TYPE=PIPE MANNING,MATERIAL=WATER
0.017671,0.0375,0.015
*FLUID SECTION,ELSET=E8,TYPE=PIPE GATE VALVE,MATERIAL=WATER
0.017671,0.5
*FLUID SECTION,ELSET=E9,TYPE=PIPE ENLARGEMENT,MATERIAL=WATER
0.017671,1.E6
*FLUID SECTION,ELSET=E10,TYPE=PIPE INOUT,MATERIAL=WATER
*BOUNDARY
3,2,2,1.E5
25,2,2,1.E5			  
*STEP
*HEAT TRANSFER,STEADY STATE
*DLOAD
EALL,GRAV,9.81,0.,0.,-1.
*NODE PRINT,NSET=NALL
U
*END STEP

在CalculiX中，线性网络通过3节点网络单元（D型单元）建模。在单元的角点节点上，温度和压力是未知的。它们分别分配给自由度0和2。在边中点节点上，质量通量是未知的，分配给自由度1。网络单元的属性由关键字*FLUID SECTION定义。它们在第6.4节（气体）、6.5节（液体管道）和6.6节（液体渠道）中有详细讨论。对于本网络，需要：

一个虚拟网络入口单元，表示液体进入网络（单元1）。其特征是节点号0作为第一个节点
A位置的网络单元类型PIPE ENTRANCE（单元2）。该单元还考虑了水深。注意没有特殊的水库单元。可以通过为单元的角点分配适当的坐标，在任何单元类型中考虑水位差。
A到B之间管道的网络单元类型PIPE MANNING（单元3）
B位置弯头的网络单元类型PIPE BEND（单元4）
B到C之间管道的网络单元类型PIPE MANNING（单元5）
C位置直径增加的网络单元类型PIPE ENLARGEMENT（单元6）
C到D之间管道的网络单元类型PIPE MANNING（单元7）
D位置直径减小的网络单元类型PIPE CONTRACTION（单元8）
D到E之间管道的网络单元类型PIPE MANNING（单元9）
E位置阀门的网络单元类型PIPE GATE VALVE（单元10）
E到F之间管道的网络单元类型PIPE MANNING（单元11）
水库出口的网络单元类型PIPE ENLARGEMENT（单元12）。实际上，没有特殊的水库入口单元。水库入口必须通过大的直径增加来建模。
一个虚拟网络出口单元，表示液体离开网络（单元13）

在节点3和25处定义了边界条件（压力）。这些是入口和出口处的压力。稳态分析由*HEAT TRANSFER,STEADY STATE定义。由于没有指定时间步，将采用默认值（初始增量1，增量总数1）。*DLOAD用于定义重力。对于网络分析，重力被用作体积力。

在*.dat文件中，可以找到每个节点的速度U（实际上是质量通量，单位为kg/s）。该值除以密度得到体积流量。在节点26处，得到的流速约为0.00737 m³/s。入口和出口之间的水位差为8米（14.5 - 6.5 = 8 m）。根据伯努利方程，对于没有能量损失的理想流动，这将对应于相同的流速。因此，计算出的流速是合理的。