基于并行計(jì)算的管道排水模型研究及其應(yīng)用.pdf

1、南水北調(diào)中線工程輸水量大、控制結(jié)構(gòu)多，水體流動(dòng)的響應(yīng)過程復(fù)雜，加之工程運(yùn)行對(duì)效率和穩(wěn)定性的要求高，凸顯了對(duì)各種流動(dòng)過程的研究的需求。數(shù)值模擬是研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要手段，模擬結(jié)果不僅能描述工程運(yùn)行的各種規(guī)律，也有助于工程管理者對(duì)調(diào)水工程進(jìn)行信息化、科學(xué)化管理。南水北調(diào)中線北京段的排水是一個(gè)水動(dòng)力學(xué)過程，其數(shù)值模擬對(duì)于工程檢修、事故處理具有重要的作用。然而，目前并未有專門針對(duì)南水北調(diào)中線排水過程的CFD(計(jì)算流體力學(xué))模型。本文選擇和改良

2、了一個(gè)通用的排水模型，以期能為輸水干線提供排水過程中各個(gè)時(shí)段的水流流態(tài)數(shù)據(jù)，達(dá)到為排水決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的作用，為解決南水北調(diào)中線北京段排水效率低下問題提供技術(shù)支撐。主要的研究成果如下:
　　 (1)南水北調(diào)中線北京段管道排水模擬模型選擇分析。本文在對(duì)南水北調(diào)中線北京段排水過程明滿流轉(zhuǎn)化和水流調(diào)節(jié)裝置復(fù)雜等特點(diǎn)的分析上，對(duì)適宜的排水模型進(jìn)行了分析，并選用了具有大量管道模擬實(shí)踐驗(yàn)證的SWMM模型模擬排水過程。SWMM模型的EXTRA

3、N模塊基于對(duì)圣維南方程的顯式求解，通過驗(yàn)證，確定該模型對(duì)管道明滿流模擬具有比較好的針對(duì)性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流量調(diào)節(jié)裝置的控制模擬。
　　 (2) SWMM模型(Storm Water Management Model，暴雨雨水管理模型)并行計(jì)算改進(jìn)方法研究。為實(shí)現(xiàn)模型的快速計(jì)算，本文采用并行計(jì)算的方法修改了SWMM模型。利用MPICH軟件提供的MPI(Massage Passing Interface，消息傳遞接口)并行編程環(huán)境，

4、對(duì)SWMM的代碼修改，并成功地將其移植到小型機(jī)群環(huán)境中，計(jì)算速度有了顯著提高。水流流動(dòng)是沿時(shí)間連續(xù)步進(jìn)的，因此對(duì)SWMM的并行計(jì)算采用一種空間分割的方法。結(jié)合SWMM固有的解方程算法，提出了一種管網(wǎng)（河網(wǎng)）拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的一維儲(chǔ)存方式，有效保證了并行計(jì)算的負(fù)載平衡。對(duì)本文使用的并行算法，推導(dǎo)了加速比的理論公式。經(jīng)過南水北調(diào)中線北京段工程實(shí)例驗(yàn)證，表明該算法可有效提高計(jì)算效率。
　　 (3)南水北調(diào)中線北京段管道排水?dāng)?shù)值模擬模型系統(tǒng)研發(fā)

5、。本文應(yīng)用現(xiàn)代軟件開發(fā)技術(shù)，將模型和可視化界面拼接起來，開發(fā)了南水北調(diào)中線北京段管道排水?dāng)?shù)值模擬模型系統(tǒng)，界面簡(jiǎn)潔實(shí)用，建?？焖?，并可為決策者提供豐富、直觀的結(jié)果數(shù)據(jù)。
　　 (4)探索了北京段結(jié)構(gòu)的建模方法。對(duì)于管涵，采用的基本數(shù)據(jù)為工程設(shè)計(jì)文件、工程維護(hù)資料等。為了得到模型的輸入文件，開發(fā)了一套處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的工具。建模方面，自流和強(qiáng)排是干線排水的兩種不同方式，兩者依賴的排水動(dòng)力不同，前者依賴干線的水流壓力，后者依靠泵的抽水能

6、力。本文提出了概化具有這兩種排水方式的排水點(diǎn)的方法，并且利用SWMM的控制功能，實(shí)現(xiàn)了自流強(qiáng)排按照水位條件轉(zhuǎn)化。
　　 (5)南水北調(diào)中線北京段管道排水點(diǎn)優(yōu)化控制方式研究。為明確北京段排水點(diǎn)的排水能力、給出優(yōu)化的排水點(diǎn)控制方式、明確干線內(nèi)的水體狀態(tài)，為實(shí)際排水提供決策支持，本文基于南水北調(diào)中線北京段管道排水?dāng)?shù)值模擬模型系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了南水北調(diào)北京段的4種理想排水工況，分別對(duì)應(yīng)不同排水點(diǎn)、連通井的開啟策略。計(jì)算結(jié)果表明該段35排水點(diǎn)的

7、排水能力是不同的，有些排水點(diǎn)的功能是不能替代的;有些排水點(diǎn)的功能是可以替代的，排水可以在減少部分排水點(diǎn)的情況下取得相同的排水效果。各排水工況下，排水點(diǎn)排水結(jié)束后干線內(nèi)依然存在局部積水，主要是排水點(diǎn)分布不合理造成的。對(duì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，本文進(jìn)一步提出了對(duì)排水點(diǎn)評(píng)價(jià)的定量方法，并給出了排水的工程措施和設(shè)備量?jī)?yōu)化，也為北京段推薦了的低能耗排水方案。
　　 本文是對(duì)南水北調(diào)排水模擬的試探性研究，模型、結(jié)果還需要進(jìn)一步研究工作的驗(yàn)證。在并行算