城市供水系統(tǒng)的安全可靠性是城市健康持續(xù)發(fā)展的基礎保障條件之一。作為供水系統(tǒng)的重要組成部分,保障供水管網的安全運行具有重要的現實意義。本課題以與供水管網安全運行密切相關的瞬變流為研究對象,圍繞供水管網瞬變流計算分析中所面臨的建模難度大、求解耗時長、實用方法缺乏等關鍵問題展開系統(tǒng)研究,研究內容主要涉及到供水管網瞬態(tài)水力模型的建立、高效分析方法和模型應用,以指導和促進瞬態(tài)水力模型在管網的設計、運行和管理中的實踐應用。首先,系統(tǒng)研究了供水管網瞬態(tài)水力模型建立的各個環(huán)節(jié),形成了從穩(wěn)態(tài)水力模型建立瞬態(tài)水力模型的建模理論和方法,包括模型輸入參數、復雜邊界條件處理、模型求解方法、時間步長的選取及模型校核方法等方面。針對供水管網的復雜邊界條件,建立了邊界條件的辨識分類方法和通用求解方法,極大簡化了模型處理和編程開發(fā)工作。為解決計算時步過小的問題,對傳統(tǒng)波速調整法進行改進,通過劃分短管去除其對波速調整的影響來增大計算時步。計算示例表明,這種方法在劃分少量短管的情況下即可顯著增大計算時步,從而提升瞬變流計算效率,如115根管道中劃分5根短管即可得到90%以上的效率提升,并且瞬變流計算精度無明顯變化。另外,在對瞬態(tài)水力模型參數的復雜性和不確定性分析基礎上,提出了一種適用于管網瞬態(tài)水力模型的分步校核方法�；诠┧芫W瞬變流高效計算分析的需求,開發(fā)了基于拉格朗日法的數值求解方法,可以實現瞬變流狀態(tài)的快速估計。其中,系統(tǒng)研究和開發(fā)了瞬態(tài)壓力波的傳播機制、基于拉格朗日法的邊界條件模型和管道摩阻損失的近似估計方法,形成了基于拉格朗日法的瞬變流理論體系。在此基礎上,提出了高效拉格朗日模型方法(ELM)和兩種適用的效率控制策略以實現瞬變流的快速計算分析。在示例管網中應用的結果表明,在合理的效率控制策略下,ELM的計算效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的特征線法,且只考慮穩(wěn)態(tài)摩阻的計算精度在可接受的范圍內。例如,示例中選取時間間隔數值與特征線法的計算時步相近時(即0.01 s),計算誤差很小,但計算效率提升了60%左右。針對常規(guī)穩(wěn)態(tài)簡化方法在瞬態(tài)水力模型簡化中的應用缺陷,建立了適用于瞬態(tài)水力模型的簡化方法,以降低模型復雜度,實現瞬變流的高效計算分析。該方法分為兩個部分:(1)基于壓力波的傳播機制,改進了常規(guī)的管道合并簡化方法(包括串聯和并聯合并),形成了適用于瞬態(tài)水力模型的管道合并簡化方法。(2)為評估模型中節(jié)點水量對瞬變流計算的影響,開發(fā)了節(jié)點水量影響的概率分析和預評估方法。該方法利用蒙特卡洛模擬和全局靈敏度分析法,實現了節(jié)點水量對瞬變流影響的預先評估,可以指導瞬態(tài)水力模型的簡化。案例應用說明,該方法可以有效指導瞬態(tài)水力模型的簡化過程,保證了瞬態(tài)水力模型簡化的準確性和可靠性。在上述研究基礎上,建立了供水管網瞬態(tài)水力模型的高效實用化應用方法,以解決瞬態(tài)水力模型應用時所面臨的若干問題。(1)針對瞬變流計算分析必要性的問題,提出了瞬變流分析的需求場景判別方法。該方法通過利用ELM和能量分析方法快速估計動態(tài)事件的彈性能量指數以判斷動態(tài)事件是否需要進行瞬變流計算分析,具有明確、量化的實用優(yōu)勢。(2)建立了一種基于瞬變流影響區(qū)域的高效瞬變流分析方法,使瞬變流分析不必局限于全尺寸模型,降低了瞬變流計算資源需求和耗時。該方法通過利用ELM的瞬變流狀態(tài)快速估計能力劃分特定瞬變流事件的影響范圍形成局部分解模型進行瞬變流計算分析,為復雜供水管網的瞬變流分析提供了一種通用的高效應用方法。案例應用的結果為,不同瞬變流事件的計算效率提升在20%~50%之間;并且局部分解模型的計算精度仍在可接受的范圍之內(節(jié)點壓力波動極值誤差普遍在1.0 m以內)。(3)將前兩部分與傳統(tǒng)的瞬變流分析和應用方法整合,形成了復雜供水管網瞬態(tài)水力模型高效應用的系統(tǒng)方法,用于復雜管網的高效瞬變流計算分析和防護設計。最后,利用本文研究成果,對一個現實復雜供水管網進行了瞬態(tài)水力模型建立和應用的案例研究,包括瞬態(tài)水力模型的建立、簡化和各類瞬變流事件的全面分析。其中,瞬態(tài)水力模型簡化的實踐工作表明,所提適用于瞬態(tài)水力模型的簡化方法可以有效保證模型簡化的準確性和可靠性,而常規(guī)簡化方法會導致明顯誤差。對各類瞬變流事件的全面分析可以發(fā)現,管網日常調度中的水泵切換操作可能會引起明顯的瞬變流現象;壓力泵站的斷電停泵事故會產生嚴重的瞬變流事件,必須采取合理的防護措施(如氣壓罐、空氣閥等)進行安全防護;爆管、漏失、消防應急用水等水量突變事故可能會產生嚴重的瞬變流現象(如超壓、負壓、氣穴等),但也可能只產生輕微壓力波動,應根據具體的瞬變流分析結果確定其對管網運行的影響。由此,在實際管網中進行瞬態(tài)水力模型的建立和應用實踐,可以有效指導供水管網在瞬變流影響下的安全運行。通過上述研究工作,本文形成了供水管網瞬態(tài)水力模型建立、高效分析和應用體系,為供水管網瞬態(tài)水力模型建立和應用實踐提供了理論技術支撐。這對于供水管網的安全防護、安全運行調度、事故預防和預測等方面具有重要的理論和現實意義。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TU991.32
【部分圖文】：

本課題技術路線圖

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文點以上的組合式邊界條件中的節(jié)點之一。通過上述三個參數對節(jié)點進行標識，即可明確管網中復雜的邊界條件的種類、數目以及各邊界條件的具體特征。圖 2-1 表示了管網中幾種常見的邊界條件辨識分類方法。由圖可知，該方法可以有效地提取不同邊界條件之間的相似性（以 LNN 和 NC 表示）以對管網中邊界條件進行自動辨識分類，為建立不同類型邊界條件的通用求解模型奠定基礎。同時，該方法還可以保留各邊界條件的特征（以 ND 和 NC 表示），以在通用求解模型的基礎上建立相關的邊界條件模型。

圖 2-2 粘彈性材料的廣義開爾文-沃伊特力學模型Fig.2-2 The generalized Kelvin-Voigt model for viscoelastic solid，連續(xù)性方程中的粘彈性項可以用公式(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 為流體的比重。(2-13)中每一個開爾文體的粘彈性延滯應力（ , rk x t）可以求解，得到下述近似數值解： , , ,ktrk k kx t J F x t J e F x t t
【參考文獻】

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本文編號：2869548