D01:10.13374.isml00103x.2009.04.019 第31卷第4期 北京科技大学学报 Vol.31 No.4 2009年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2009 给水管网非恒定流动数值计算方法 马飞1 曲世琳D吴民2》 1)北京科技大学土木与环境工程学院。北京1000832)北京联合大学机电学院，北京100020 摘要为计算给水管网中非恒定流动运行工况使系统可以快速平稳地完成工况转换，以非恒定流动理论为基础分别利 用重分阻尼系数法划分时间步长的特征线法和引入摩阻附加项的玻尔兹曼网格法计算给水管网非恒定流动的数学模型，并 应用于某小区给水管网的非恒定流动工况分析中.结果表明.在管网非恒定流工况下，当R7000时利用玻尔兹曼网格法 计算否则利用特征线法计算将提高计算的准确性和计算效率. 关键词给水管网：非恒定流：特征线法：玻尔兹曼网格法 分类号TV131202418 Numerical calculation methods of water distribution systems in hydraulic transient conditions MA Fe.QU Shi-lin WU Yi-min2) 1)School of Civil and Envimnmental Engineering,University of Science and Technology Beijing.Beijng 100083.China 2)Mechanical and Electrical Engineering School Beijing Union University.Beijng 100020.China ABSTRACT Transient phenomena often happen in water distribution systems(WDS).In order to accelerate system transformation fiom unsteady state to steady state two mathematical models were proposed based on the theory of transient flow.which are the method of characeristics (MOC)with re-divide damping coefficient and the lattice Boltzmann equation (LBE).These methods were used to calculate an example in WDS.It is show n that LBE is more accurate when Rey nolds number is less than 7000,otherwise MOC is more precise KEY WORDS water distribution system;unsteadly flow:method of characteristics lattice Boltzmann equation 由于给水管网是动态的非线性系统.管网的运 1给水管网非恒定流动物理模型 行状态往往是从一个稳定的运行状态过渡到另一个 稳定的运行状态刂.建立在恒定流动理论基础之上 非恒定流动中液体质点的运动要素不仅随空间 的管网水力模型是非常成熟的，在管网的平稳运行 位置变化，而且随时间过程变化？.因此分析这类 工况建模中，这种方法能够精确计算管网各控制点 运动，要考虑由于运动要素随时间变化所引起的惯 的压力、流量等运行参数.然而，在过渡阶段这种方 性力的作用，即其运动要素为时间和空间的函数. 法很难准确地确定管网的运行工况.因此，本文从 由质量和能量守恒原理得管道非恒定流动控制方 非恒定流动的角度出发，分别利用重分阻尼系数法 程内： 划分时间步长的特征线法(method of characteris- 盟+a2Y=0 (1) dt'g dx is,MOC)和引入摩阻附加项的玻尔兹曼网格法 (lattice Boltzmann equation,LBE)求解城市给水管 影+g要+川川=0 (2) 网系统非恒定流动数学模型，进一步完善给水管网 式中，V为管内某断面的平均流速，H为某点测压 动态分析方法， 管水头，D为管径，x为沿流线的位置坐标，【为时 收稿日期：200805-22 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划重大资助项目(No.2006BA03A06) 作者简介：马飞(1968一).男.教授，博土，E-mail:ustb巧eke@.ina.com给水管网非恒定流动数值计算方法 马 飞1) 曲世琳1) 吴一民2) 1)北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2)北京联合大学机电学院, 北京 100020 摘 要 为计算给水管网中非恒定流动运行工况, 使系统可以快速平稳地完成工况转换, 以非恒定流动理论为基础, 分别利 用重分阻尼系数法划分时间步长的特征线法和引入摩阻附加项的玻尔兹曼网格法计算给水管网非恒定流动的数学模型, 并 应用于某小区给水管网的非恒定流动工况分析中.结果表明, 在管网非恒定流工况下, 当 Re≤7 000 时利用玻尔兹曼网格法 计算, 否则利用特征线法计算将提高计算的准确性和计算效率. 关键词 给水管网;非恒定流;特征线法;玻尔兹曼网格法 分类号 TV 131.2;O 241.8 Numerical calculation methods of water distribution systems in hydraulic transient conditions MA Fei 1), QU Shi-lin 1), WU Yi-min 2) 1)School of Civil and Environment al Engineering , Universit y of Science and Technology Beijing , Beijing 100083 , China 2)Mechanical and Electrical Engineering S chool, Beijing Union University , Beijing 100020 , China ABSTRACT Transient phenomena often happen in w ater distributio n systems (WDS).In order to accelerate sy stem transformation f rom unsteady state to steady state , tw o mathematical models w ere proposed based on the theory of transient flow , which are the method of characteristics (MOC)with re-divide damping coefficient and the lattice Boltzmann equation (LBE).These methods were used to calculate an ex ample in WDS .It is show n that LBE is more accurate when Rey nolds number is less than 7 000 , o therwise MOC is mo re precise. KEY WORDS w ater distributio n sy stem ;unsteady flow ;method o f characteristics;lattice Boltzmann equation 收稿日期:2008-05-22 基金项目:国家“十一五”科技支撑计划重大资助项目(No .2006BAJ03A06) 作者简介:马 飞(1968—), 男, 教授, 博士, E-mail:ustbyeke@sina.com 由于给水管网是动态的非线性系统 .管网的运 行状态往往是从一个稳定的运行状态过渡到另一个 稳定的运行状态[ 1] .建立在恒定流动理论基础之上 的管网水力模型是非常成熟的 , 在管网的平稳运行 工况建模中 ,这种方法能够精确计算管网各控制点 的压力 、流量等运行参数 .然而, 在过渡阶段这种方 法很难准确地确定管网的运行工况.因此 , 本文从 非恒定流动的角度出发, 分别利用重分阻尼系数法 划分时间步长的特征线法(method of characteris￾tics , MOC)和引入摩阻附加项的玻尔兹曼网格法 (lattice Boltzmann equation , LBE)求解城市给水管 网系统非恒定流动数学模型, 进一步完善给水管网 动态分析方法. 1 给水管网非恒定流动物理模型 非恒定流动中液体质点的运动要素不仅随空间 位置变化 ,而且随时间过程变化[ 2] .因此分析这类 运动 ,要考虑由于运动要素随时间变化所引起的惯 性力的作用 , 即其运动要素为时间和空间的函数. 由质量和能量守恒原理得管道非恒定流动控制方 程 [ 3-5] : H t +a 2 g V x =0 (1) V t +g H x + f 2D V V =0 (2) 式中 , V 为管内某断面的平均流速 , H 为某点测压 管水头, D 为管径, x 为沿流线的位置坐标 , t 为时 第 31 卷 第 4 期 2009 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.4 Apr.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.04.019