供水管网瞬态水力模型建立和高效分析方法研究与应用

发布时间：2020-11-04 03:30

　　 城市供水系统的安全可靠性是城市健康持续发展的基础保障条件之一。作为供水系统的重要组成部分,保障供水管网的安全运行具有重要的现实意义。本课题以与供水管网安全运行密切相关的瞬变流为研究对象,围绕供水管网瞬变流计算分析中所面临的建模难度大、求解耗时长、实用方法缺乏等关键问题展开系统研究,研究内容主要涉及到供水管网瞬态水力模型的建立、高效分析方法和模型应用,以指导和促进瞬态水力模型在管网的设计、运行和管理中的实践应用。首先,系统研究了供水管网瞬态水力模型建立的各个环节,形成了从稳态水力模型建立瞬态水力模型的建模理论和方法,包括模型输入参数、复杂边界条件处理、模型求解方法、时间步长的选取及模型校核方法等方面。针对供水管网的复杂边界条件,建立了边界条件的辨识分类方法和通用求解方法,极大简化了模型处理和编程开发工作。为解决计算时步过小的问题,对传统波速调整法进行改进,通过划分短管去除其对波速调整的影响来增大计算时步。计算示例表明,这种方法在划分少量短管的情况下即可显著增大计算时步,从而提升瞬变流计算效率,如115根管道中划分5根短管即可得到90%以上的效率提升,并且瞬变流计算精度无明显变化。另外,在对瞬态水力模型参数的复杂性和不确定性分析基础上,提出了一种适用于管网瞬态水力模型的分步校核方法。基于供水管网瞬变流高效计算分析的需求,开发了基于拉格朗日法的数值求解方法,可以实现瞬变流状态的快速估计。其中,系统研究和开发了瞬态压力波的传播机制、基于拉格朗日法的边界条件模型和管道摩阻损失的近似估计方法,形成了基于拉格朗日法的瞬变流理论体系。在此基础上,提出了高效拉格朗日模型方法(ELM)和两种适用的效率控制策略以实现瞬变流的快速计算分析。在示例管网中应用的结果表明,在合理的效率控制策略下,ELM的计算效率明显优于传统的特征线法,且只考虑稳态摩阻的计算精度在可接受的范围内。例如,示例中选取时间间隔数值与特征线法的计算时步相近时(即0.01 s),计算误差很小,但计算效率提升了60%左右。针对常规稳态简化方法在瞬态水力模型简化中的应用缺陷,建立了适用于瞬态水力模型的简化方法,以降低模型复杂度,实现瞬变流的高效计算分析。该方法分为两个部分:(1)基于压力波的传播机制,改进了常规的管道合并简化方法(包括串联和并联合并),形成了适用于瞬态水力模型的管道合并简化方法。(2)为评估模型中节点水量对瞬变流计算的影响,开发了节点水量影响的概率分析和预评估方法。该方法利用蒙特卡洛模拟和全局灵敏度分析法,实现了节点水量对瞬变流影响的预先评估,可以指导瞬态水力模型的简化。案例应用说明,该方法可以有效指导瞬态水力模型的简化过程,保证了瞬态水力模型简化的准确性和可靠性。在上述研究基础上,建立了供水管网瞬态水力模型的高效实用化应用方法,以解决瞬态水力模型应用时所面临的若干问题。(1)针对瞬变流计算分析必要性的问题,提出了瞬变流分析的需求场景判别方法。该方法通过利用ELM和能量分析方法快速估计动态事件的弹性能量指数以判断动态事件是否需要进行瞬变流计算分析,具有明确、量化的实用优势。(2)建立了一种基于瞬变流影响区域的高效瞬变流分析方法,使瞬变流分析不必局限于全尺寸模型,降低了瞬变流计算资源需求和耗时。该方法通过利用ELM的瞬变流状态快速估计能力划分特定瞬变流事件的影响范围形成局部分解模型进行瞬变流计算分析,为复杂供水管网的瞬变流分析提供了一种通用的高效应用方法。案例应用的结果为,不同瞬变流事件的计算效率提升在20%~50%之间;并且局部分解模型的计算精度仍在可接受的范围之内(节点压力波动极值误差普遍在1.0 m以内)。(3)将前两部分与传统的瞬变流分析和应用方法整合,形成了复杂供水管网瞬态水力模型高效应用的系统方法,用于复杂管网的高效瞬变流计算分析和防护设计。最后,利用本文研究成果,对一个现实复杂供水管网进行了瞬态水力模型建立和应用的案例研究,包括瞬态水力模型的建立、简化和各类瞬变流事件的全面分析。其中,瞬态水力模型简化的实践工作表明,所提适用于瞬态水力模型的简化方法可以有效保证模型简化的准确性和可靠性,而常规简化方法会导致明显误差。对各类瞬变流事件的全面分析可以发现,管网日常调度中的水泵切换操作可能会引起明显的瞬变流现象;压力泵站的断电停泵事故会产生严重的瞬变流事件,必须采取合理的防护措施(如气压罐、空气阀等)进行安全防护;爆管、漏失、消防应急用水等水量突变事故可能会产生严重的瞬变流现象(如超压、负压、气穴等),但也可能只产生轻微压力波动,应根据具体的瞬变流分析结果确定其对管网运行的影响。由此,在实际管网中进行瞬态水力模型的建立和应用实践,可以有效指导供水管网在瞬变流影响下的安全运行。通过上述研究工作,本文形成了供水管网瞬态水力模型建立、高效分析和应用体系,为供水管网瞬态水力模型建立和应用实践提供了理论技术支撑。这对于供水管网的安全防护、安全运行调度、事故预防和预测等方面具有重要的理论和现实意义。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU991.32
【部分图文】：

本课题技术路线图

哈尔滨工业大学工学博士学位论文点以上的组合式边界条件中的节点之一。通过上述三个参数对节点进行标识，即可明确管网中复杂的边界条件的种类、数目以及各边界条件的具体特征。图 2-1 表示了管网中几种常见的边界条件辨识分类方法。由图可知，该方法可以有效地提取不同边界条件之间的相似性（以 LNN 和 NC 表示）以对管网中边界条件进行自动辨识分类，为建立不同类型边界条件的通用求解模型奠定基础。同时，该方法还可以保留各边界条件的特征（以 ND 和 NC 表示），以在通用求解模型的基础上建立相关的边界条件模型。

图 2-2 粘弹性材料的广义开尔文-沃伊特力学模型Fig.2-2 The generalized Kelvin-Voigt model for viscoelastic solid，连续性方程中的粘弹性项可以用公式(2-13)和(2-14)表示： 1'001, ,, ' '2kNr rkktNtkkkx t x tDJH x t t H x e dte 101, ,,,2Nr rkkNrkkkk kx t x tt tDJx tH x t H xe 为流体的比重。(2-13)中每一个开尔文体的粘弹性延滞应力（ , rk x t）可以求解，得到下述近似数值解： , , ,ktrk k kx t J F x t J e F x t t
【参考文献】

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本文编号：2869548