长期以来,面向精益化设计的复杂耦合状态下的医用水管网设计是研究的热点问题之一。本文基于校企合作项目—“医用水管网动态数字量化设计”展开研究,对于耦合的长管道医用水管网系统进行解析计算、数字化分析与设计、水力分布的求解与动态解耦、卫生节流控制孔设计与系统元件的合理安装、绿色节能的控制模式、故障追踪等方面的研究,使得医用水管网在全生命周期内,从设计、安装、运营等方面取得令人满意的效果。首先通过静态设计和动态解耦,实现了管网系统的合理科学设计,降低了运营成本和一次性投入成本;实现了系统的合理安装;避免了水击现象,实现水系统的稳定运行,延长了整个管网的使用寿命,变相地降低了成本。其次通过系统地研究,可以为减少系统故障和伪故障、为实现系统的绿色节能的控制模式提供一种新的途径;通过流量压头跟踪查询法实现系统的故障跟踪,为水系统故障诊断提供了一种新方案。文中运用理论分析、数字化设计、仿真求解、实验验证等手段,开展了以下工作:1、对医用水管网进行静态解析,这里主要完成的工作包括:一是分析了水管网系统的潜在问题,包括泵、水管、隔膜阀、换热器、喷淋球等的选型不合理造成系统的故障;二是阐述了水系统静态设计解决的问题;三是对水管网静态解析方法(类电学欧姆定律)进行了详细的推导,并得出相关结论以指导AMESIM数字化仿真;四是对水管网进行空间的重力修正,并通过FLUENT流场仿真进行验证求解具体数值,以补偿重力场对取水的耦合影响。五是以山东某药厂车间注射水系统为实例,并基于流体仿真软件AMESIM对医用水管网进行静态仿真求解,得出静态流阻分布、流速分布、压力分布、目标工况下各取水点的理论流量分布、各取水点的节流孔等效直径。从而印证设计院原设计的不合理性,从净功率角度得出静态数字化设计相比与原设计的优越性。2、对医用水管网进行动态耦合解析,在忽略取水点支路长度的情况下,本文首先推导了管道水力分布,包括:一是非线性摩阻影响下的管道水力分布;二是管道水力稳定的条件。其次是管道水力瞬变振动分析:一是忽略摩阻,由于瞬间关闭阀门引起的水击振动;二是线性摩阻的情况下,由于瞬间关闭阀门引起的水击振动;三是非线性摩阻的情况下,由于瞬间关闭阀门引起的水击振动。最后基于STARTCCM软件对动态管道进行多物理场耦合的可视化仿真,得出相关结论,为指导医用水管网系统的安装和规避或降低管网中的水击和噪声提供理论依据,同时可以通过相关措施提高水管网的使用寿命。3、结合医用水管网的静态解析和动态耦合解析,为卫生节流控制孔设计与系统元件的合理安装提供了方案,一方面为隔膜阀加节流开环控制的方案解决了节流孔的设计和性能验证,另一方面为医用水管网设计过程中,相关元件及其安装提出了要求。4、完成医用水管网的绿色控制和故障跟踪。对于医用水管网的绿色节能控制模式,以一实例注射水系统为对象,首先介绍了基于PLC控制的基本控制原理——半闭环控制(取水点开环),其次介绍了相关控制系统基本构成元件,如交流异步电机、变频器、离心水泵的工作和控制原理,然后介绍了绿色控制策略——基于PLC的PID流量查询变频反馈控制。对于医用水管网的故障跟踪,基于前面对医用水管网的静态解析和动态耦合解析,同样以一实例注射水系统为对象,首先介绍了流量压头跟踪定位法的基本方法,然后介绍了其相关处理流程。5、根据医用水管网的数字化求解、动态解耦、绿色节能控制和故障跟踪设计对水系统进行实验,实验的具体项目包括:设计流量、回水流速,泵出口压力、各工况循环功率等。实验过程是通过自控系统对采集数据进行导出,再经过相关处理成图像。并对整个注射水系统的典型工况进行实验对比,分析相关结论。最后,验证水管网系统设计、安装、控制的合理性,为医药净化管道设计提供了实践验证。