TVD格式数值模拟四通管水击过程研究

发布时间：2018-01-28 08:54

本文关键词： 四通管 TVD格式非恒定摩阻水击数值模拟　出处：《西北农林科技大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：鉴于国民经济的快速发展和我国水资源紧缺的现实需要,管网输水已然成为当今社会解决水资源供需矛盾的重要方式。管网系统因其日趋复杂化和运行状态多变的特点而面临多种瞬变流工况下的安全问题,水击现象便是管网系统规划设计和运行管理需要考虑的重要因素之一。近年来,水利工作者热衷于运用多种数值格式探讨简单管道的各种瞬变流问题,研究重心大部分也放在预测捕捉水击压力峰值上,采用的是传统拟恒定摩阻假设的水击方程。这种做法虽然可以保守估计水击发生瞬间的压力值,但是对于准确捕捉之后的衰变过程显然无能为力,且容易造成资源浪费。本文深入研究了TVD格式数值模拟四通管水击过程的必要性和可行性,拓展了TVD格式模拟水击的研究领域,同时探究了非恒定摩阻项的处理对于水击模拟精度的影响,为后续研究开拓了新思路,主要内容包括以下几个方面:(1)将Sweby的TVD格式运用到魏闯的管网水击模型中,模拟主管和支管末端的水击压力极值和波动衰减全过程,并与经典特征线法、一阶LF格式、二阶LW和MC格式以及试验数据进行对比分析,对比结果和相对误差分析表明:TVD格式能够最准确的捕捉到水击压力峰值,相对误差控制在可以满足工程需要的范围之内,且模拟的水击衰减过程与实测值最为吻合;对于水击最大压力的捕捉,特征线法次之,一阶LF格式模拟效果最差;四种常用差分格式模拟的水击波衰减都比较缓慢,与实际情况不符。至此验证了TVD格式模拟四通管水击过程的可行性和优越性。(2)进一步定量分析了阀门关闭特性对于四通管水击过程的影响。首先运用TVD格式模拟了四种不同阀门关闭规律下水击压力变化情况。分析结果可知:当关阀时间一定时,就产生的最大水击压力和衰减快慢而言,两阶段直线关闭方式和减速曲线关闭方式效果相当,直线关闭方式和加速曲线关闭产生的水击压力较大且伴随着剧烈而长时间的波动过程。然后研究了组合关阀方式对于水击波动过程的影响,发现在四通管中,不论对于主管还是支管,两阀门同时直线关闭产生的水击压力最小且衰减最快,无强烈不规则水击波振荡,当两阀门同时瞬时关闭时产生的水击压力最大且衰减相当缓慢,水击波振荡最强烈。考虑到可操作性,推荐两阶段直线关阀方式和两阀门直线关闭模式分别作为保证四通管在瞬变流工况下安全运行的阀门关闭模式。(3)基于水力系统规划监测和瞬变流反问题研究对水击模拟精度日益提高的需要,将非恒定摩阻引入到水击基本微分方程组中,首次推导出了考虑IAB经验摩阻模型的水击方程严格守恒型式,将TVD格式与其结合运用到模型试验和工程实例—阿拉山水电站的水击数值模拟中,并与试验数据、常规TVD格式和考虑非恒定摩阻的特征线法模拟结果进行对比分析,结果表明:考虑非恒定摩阻的TVD格式能够更加准确地捕捉水击波各周期压力峰值衰减和畸变的全过程,模拟偏差随时间增加无增大趋势,其中各周期压力峰值捕捉误差不超过3%,相位偏移不超过0.5弧度,计算精度显著提高。该模型计算耗时和传统模型相差不大,具有良好的工程应用潜力和研究价值。
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【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV134.1

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