管網(wǎng)慢變流水力計(jì)算及水擊波動(dòng)過(guò)程優(yōu)化控制.pdf

1、近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，供熱、燃?xì)夂徒o水等流體輸配管網(wǎng)的規(guī)模不斷增加，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)準(zhǔn)確掌握穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況以實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)的精確調(diào)度、水擊等事故工況的模擬與控制、利用實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行管道摩阻的識(shí)別等等，都是管網(wǎng)運(yùn)行管理過(guò)程中迫切需要解決的問(wèn)題，這就需要對(duì)與之相關(guān)的一部分水力計(jì)算基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行理論研究。為此本文著重于非恒定流問(wèn)題，從應(yīng)用基礎(chǔ)的角度對(duì)管網(wǎng)慢變流水力計(jì)算和水擊波動(dòng)過(guò)程的優(yōu)化控制問(wèn)題進(jìn)行研究，以期為推動(dòng)流體網(wǎng)

2、絡(luò)理論和水擊控制方法在供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)工程專(zhuān)業(yè)和其它相關(guān)專(zhuān)業(yè)中的應(yīng)用提供理論支持。
　　圖論作為網(wǎng)絡(luò)分析的主要工具，非常適合解決復(fù)雜管網(wǎng)的水力計(jì)算問(wèn)題。圖論求解的最重要特征是將網(wǎng)絡(luò)圖形的本構(gòu)特征用兩個(gè)特征矩陣來(lái)量化表示，即基本關(guān)聯(lián)矩陣和基本回路矩陣。基于圖論的管網(wǎng)水力分析則是將各管段的伯努利方程（即能量方程）與管段間質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程通過(guò)這兩個(gè)圖論中的特征矩陣以最簡(jiǎn)捷的方式完成對(duì)管網(wǎng)水力計(jì)算的全局描述，構(gòu)造出矩陣形式的定

3、解方程組，并在此基礎(chǔ)上利用矩陣論求解。本文詳細(xì)介紹了利用圖論進(jìn)行單定壓節(jié)點(diǎn)恒定流管網(wǎng)水力計(jì)算的步驟，并通過(guò)引入虛節(jié)點(diǎn)、添加虛管段并形成虛環(huán)，建立了基于圖論的多定壓節(jié)點(diǎn)恒定流管網(wǎng)水力計(jì)算模型，通過(guò)將相關(guān)矩陣向量進(jìn)行分塊表示，利用矩陣論導(dǎo)出了采用鏈支流量矩陣進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算的解析表達(dá)式及迭代求解步驟，并對(duì)帶有水泵的算例管網(wǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。
　　實(shí)際管網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)單純的負(fù)荷變動(dòng)以及無(wú)時(shí)不在的管網(wǎng)狀態(tài)調(diào)節(jié)都可以抽象成非恒定流中的慢變流進(jìn)行

4、研究，這是大量管網(wǎng)運(yùn)行中的現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)實(shí)際管網(wǎng)進(jìn)行多種慢變工況的模擬，可以捕捉到豐富的管網(wǎng)信息。本文基于非恒定流的伯努利方程，在圖論的基礎(chǔ)上建立了環(huán)狀管網(wǎng)慢變流水力計(jì)算模型，推導(dǎo)出了以鏈支流量作為求解向量的慢變流水力計(jì)算的解析表達(dá)式和遞推關(guān)系式，同時(shí)還給出了基于節(jié)點(diǎn)水頭法的管網(wǎng)慢變流水力計(jì)算模型和求解方法。管網(wǎng)慢變流水力計(jì)算對(duì)于把握管網(wǎng)調(diào)節(jié)過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)、摩阻辨識(shí)、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、并最終實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度和有效控制等實(shí)際問(wèn)題具有很

5、大的應(yīng)用前景。
　　管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的快變流問(wèn)題是一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題，本文僅以簡(jiǎn)單有壓管路中的水擊波動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究，這是研究管網(wǎng)系統(tǒng)水擊問(wèn)題的理論基礎(chǔ)。在詳細(xì)分析水擊基本微分方程組及初邊值條件的基礎(chǔ)上，本文將波動(dòng)方程在有限區(qū)間內(nèi)的行波解應(yīng)用于快變流的線(xiàn)性水擊波動(dòng)問(wèn)題中。通過(guò)給定閥門(mén)處速度變化規(guī)律得到水擊波動(dòng)過(guò)程中速度沿全管及全時(shí)程的精確解析解，然后利用表示速度、壓強(qiáng)波動(dòng)過(guò)程的兩個(gè)偏微分方程為共軛方程，其邊界條件耦聯(lián)的特點(diǎn)，引入曲線(xiàn)積分與

6、路徑無(wú)關(guān)條件，根據(jù)速度的精確解析解最終構(gòu)造出了閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中管道內(nèi)水擊壓強(qiáng)的精確解析解。
　　本文對(duì)水擊波動(dòng)問(wèn)題的研究是從水擊防護(hù)的優(yōu)化控制角度來(lái)進(jìn)行的。根據(jù)文中得到的水擊壓強(qiáng)的精確解析解，在定義了特征波高、最優(yōu)特征波高和觀(guān)察時(shí)刻等概念的基礎(chǔ)上，給出了水擊壓強(qiáng)的控制目標(biāo)、最優(yōu)特征波高的判斷準(zhǔn)則及其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)控制參數(shù)。最優(yōu)特征波高是閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中可能形成的無(wú)數(shù)水擊波波高的最大值中的最小值，它是利用閥門(mén)進(jìn)行主動(dòng)控制以減小水擊波動(dòng)的極限