D0I:10.13374/i.is8n1001-053x.2006.05.025 第28卷第5期 北京科技大学学报 Vol.28 No.5 2006年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2006 给水管网系统中的水力瞬态工况模拟 伍悦滨1)曲世琳2)刘天顺3) 1)哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨1500902)北京科技大学土木与环境工程学院.北京100083 3)天津市市政工程设计研究院，天津300042 摘要给水管网系统中经常引发瞬态工况，形成大幅度的压力波动，具有一定的危害性.为了更 加全面准确地模拟给水管网的水力瞬态变化过程，分别从给水管网系统的水力解变过程的计算模 型、边界条件以及分析方法几个方面进行了研究，提出了基于水力瞬变模型的给水管网水力计算 方法，实例证明该方法是可行的， 关键词给水管网；瞬态工况；数值模拟 分类号TV13;O24 长期以来，国内外学者对给水管网的稳态及 的情况下，针对较全面的流动状态进行水力分析， 动态水力模拟进行了大量研究，并先后应用在很 为管网系统实际运行管理提供依据，因此进行给 多大城市的管网建模中，已经取得了良好的效果， 水管网系统的瞬态工况模拟非常必要， 动态水力模拟是建立在管网水流运动要素均随时 1特征线方程及数值处理 间缓慢改变的条件下进行的，而城市给水管网在 实际运行中，由于存在用户需水量频繁变化、调度 对水锤基本微分方程应用拉格朗日算子，按 水泵快速改变管网系统水力负荷、阀门快速启闭、 全微分条件得到特征线方程6]： 事故停泵等因素，常常引发管道中的瞬态工况变 化，形成大幅度的压力波动，对管网造成危害，甚 c+8-v是+1=0， 至引起燥管事故.据理论研究及实验验证，管网 di-vta (1) 并不能降低水力瞬变的危害，相反可能会比相同 激励作用的简单管路产生的压力峰值要高.可 c出盟+v能+v川=0 见给水管网中的水力瞬态工况模拟有助于管网运 =v-a dt (2) 行管理 瞬变流理论从研究水锤开始，距今已有150 式中，V为管内某断面的平均流速；H为管中某 余年的历史.而自20世纪60年代起随着计算机 点测压管水头；D为管径；5为沿流线的位置坐 的高速发展，且Streeter提出特征线法后，揭开了 标；t为时间坐标：g为重力加速度；f为管内水 瞬变流分析的新纪元23】，特征线法以其严密的 流的阻力系数；之为管道轴线在坐标5处的标高； 理论性、清晰的物理概念及较高的计算精度受到 α为水锤波在第i管段内的行波速度. 广泛重视，Streeter及Wylie首先应用特征线法通 给定初始条件，划分时空网格，A点为起始 过计算机模拟分析了复杂边界条件的瞬变流问 点，P点为终点，沿特征线对式(1)，(2)进行积分， 题.国内瞬变流研究起步于20世纪80年代(45]， 前三项很容易计算，将最后一项积分： 目前对于长距离输水管道中各种瞬变流的数学建 QIQldt=[Q+p(Qp-QA)]IQAt A 模及程序计算比较成熟，而有关给水管网系统的 (3) 水力瞬变分析仅有少址文献报道.随着现代计算 其中，p为线性化常数，当力=0时式(3)为 机技术的高度发展，使人们能够在几乎不受限制 Qa|QA|△t,p=1时式(3)为Qr|Qa|△t,一般 收稿日期：2005-03-15修回日期：200509-20 情况下在瞬变分析中p取0.85左右比较精确. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50478025) 另外，如果在给定的时空网格中采用两个不同的 作者简介：伍悦滨(1966一)，女，副教授，博士 p值所得的结果差异较大，应对网格加密处理第 2 8 卷 第 5 期 2 0 0` 年 5 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r an 且成 U n ive 招i t y Of cS i e n 沈 a n d T eC h on l哪罗 eB Ui gn V o l . 2 8 N o 。 5 M ay 2 0 0 6 给水管网系统中的水力瞬态工况模拟 伍 .说滨 ` ) 曲 世琳 2 ) 刘 天 顺 3 ) l) 哈 尔滨工业大学市政环境工程学院 . 哈尔滨 巧 0 0 90 2 ) 北京科技大学土木与环境工程学院 . 北京 10 0 0 83 3) 天津市市政工程设计研究院 . 天津 3 00 0 42 摘 要 给水管网系统中经常引发瞬态工况 , 形成大幅度 的压力波动 , 具有 一定的危害性 . 为了更 加全面准确地模拟给水管网的水力瞬态变化过程 , 分别从给水管 网系统的水力瞬变过 程的计算模 型 、 边界 条件 以 及分 析方 法几 个方 面进行 了研究 , 提 出 了基 于水力 瞬变模型 的给水管 网水力计算 方法 . 实例证 明该方法是 可行的 . 关扭词 给水管网 ; 瞬 态工 况 ; 数值模拟 分 类号 T v 1 3 ; 02 4 长期以来 , 国 内外学 者对给水管 网的稳态及 动态 水力模拟 进行了大 量研 究 , 并先 后 应 用 在很 多大城市的管网 建模中 , 已 经取得 了 良好的效果 . 动态水力模拟 是 建立 在管网水流运动要 素均随时 间缓慢改变的条件下进行 的 , 而城市给水管网 在 实际 运行中 , 由于 存在 用户 需水量频繁变化 、 调度 水泵快速 改变管网系统水力 负荷 、 阀门快速 启闭 、 事故停泵 等因 素 , 常常引发管道 中的瞬态 工况 变 化 , 形成大幅度的压 力波 动 , 对管 网造成危害 , 甚 至 引起爆管事故 . 据理 论 研究 及 实验 验证 , 管 网 并不 能降低水力瞬变 的危害 , 相反 可能会 比相 同 激励作用 的简单管路 产 生的压 力峰值要 高川 . 可 见给水管网 中的水力瞬态工 况模拟 有助 于管网运 行管理 . 瞬变流 理 论 从 研 究水锤 开 始 , 距今 已 有 巧 0 余年的历 史 . 而 自 2 0 世 纪 6 0 年代起随着计算机 的高速 发展 , 且 tS er et e r 提 出特征线法 后 , 揭开 了 瞬变流分析 的新纪 元 2[ 引 . 特征线法 以其严 密的 理论性 、 清晰的物理 概 念及 较高的计算精度受到 广泛重 视 , tS r e et : 及 w vil e 首先应 用特征 线法 通 过 计算机 模拟 分析 了 复杂边 界 条件 的瞬变流 问 题 . 国 内瞬变流研 究起步于 20 世 纪 80 年代〔4一 , 目前对于长 距离输水管道 中各种瞬变流 的数学 建 模及 程序计算 比较成 熟 , 而 有关给 水管 网 系统 的 水力 瞬变分析仅有少量 文献 报道 . 随着现代计算 机技术的高度发 展 , 使 人们能够 在 几乎不 受限制 收稿 B 期 : 2 0 0 5一 3 一 15 修回 日期 : 20 0 5一9 一 2 0 基盘项 目 : 国家 自然科学基金资助项 目 ( N o . 5 0 4 7 80 2 5) 作者简介 : 伍悦滨 ( 19 6 一 ) . 女 . 副教授 , 博士 的情况 下 , 针对较全面 的流动状 态进 行水力分析 , 为管网系统 实际运 行管理 提 供依据 . 因此进 行给 水管网 系统 的瞬 态工况 模拟 非常必 要 . 1 特征线方程及数值处理 对 水锤 基本微分方 程 应 用拉格朗 日算子 , 按 全微分条件得到特征 线方程 6[] : +c : 华 + ` 华 一 ` v 零 + 关vl vl 一 。 d t 倪 d t 口 d s 乙 I j V + a ( l ) _ 且 a 坦 d t 十 ` 口 v 伞d s + 拾 v , V ’ 一 0 , 一dV dt 蜒 dt :-C d s 二一 = V 一 a d t ( 2 ) 式 中 , V 为管 内某断 面 的平均流 速 ; H 为管中某 点测压管 水头 ; D 为管径 ; : 为沿 流 线的位置 坐 标 ;t 为时 间坐 标 ; g 为重 力加 速度 ; f 为管 内水 流的阻 力 系数 ;z 为管道 轴线在坐 标 : 处的标高 ; a 为水锤波 在第 i 管段 内的行波速度 . 给定初始条 件 , 划 分时空 网格 , A 点 为起 始 点 , 尸 点为终点 , 沿特征线对式 ( 1 ) , ( 2) 进行积分 , 前三项很 容易计算 , 将最后 一项 积分 : 厂 Q , Q , d , · 〔Q · + , ` Q一 Q · , , ` Q · `△` ( 3 ) 其中 , p 为线 性 化 常 数 , 当 P 二 0 时 式 ( 3) 为 Q 、 I Q A I△t , p = l 时式 ( 3 ) 为 Q ; , Q , }△ t , 一般 情况 下 在瞬变分析中 P 取 0 . 85 左 右 比较精确 . 另外 , 如果在给定的时空 网格中采 用 两 个不 同的 P 值所得的结果差 异较大 , 应对 网格加密 处理 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 05. 025