[發(fā)明專利]一種新型的排水管網(wǎng)水力學(xué)系統(tǒng)建模與控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110072284.1
• 申請日: 2011-03-24
• 公開（公告）號: CN102183895A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王建中;魯仁全;薛安克;徐哲;何楊
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02;E03F1/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于城市排水領(lǐng)域，具體是一種在圣維南方程組基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出適用于排水管道的水力學(xué)模型的方法。

背景技術(shù)

國內(nèi)外很多大城市的排水系統(tǒng)依然采用合流制排水系統(tǒng)，它是將生活污水、工業(yè)廢水和雨水混合在同一套溝道內(nèi)排除的系統(tǒng)。但隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和降雨的頻繁發(fā)生，導(dǎo)致了合流制排水管道污水溢出，從而帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。

基于圣維南方程組的排水管道管流水力學(xué)模型的解法，一種方法是采用隱式有限差分?jǐn)?shù)值求解。另一種方法是特征線法。兩種方法都是數(shù)值計算方法。但兩者的不足之處在于：

1.?模型需要的變量較多，計算比較復(fù)雜。

2.?都是數(shù)值計算方法，結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

3.數(shù)值計算方法比較耗時，不利于實時控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在圣維南方程組基礎(chǔ)上，利用傳遞函數(shù)模型來快速計算管道水深的方法。該發(fā)明是在充分利用系統(tǒng)所有蓄水設(shè)備的前提下，使區(qū)域污水溢出污染最小化，提高了城市的防洪抗?jié)衬芰Γ楹狭髦婆潘到y(tǒng)的操作從手動向自動轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)。避免在一個特定的區(qū)域發(fā)生了污水溢出而剩余的蓄水系統(tǒng)卻閑置的情況發(fā)生，最終達(dá)到區(qū)域污水溢出污染最小化。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

合流制排水系統(tǒng)在圣維南方程組的基礎(chǔ)上獲得傳遞函數(shù)的水力學(xué)模型計算管道水深，利用閥門等控制設(shè)施和蓄水設(shè)備達(dá)到兩個總的控制目標(biāo)：

（1）使區(qū)域總的污水溢出量最小化，避免在一個特定的區(qū)域發(fā)生了污水溢出而剩余的蓄水系統(tǒng)卻閑置的情況發(fā)生。

（2）充分利用現(xiàn)有的蓄水設(shè)備納洪，避免發(fā)生污水溢出，直到所有蓄水設(shè)備都滿了為止。

本發(fā)明方法的步驟包括：

1)建立圣維南方程組

通過分析我國城市排水管道中水流的水力學(xué)特性，再結(jié)合質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律得到適用于排水管道水流特性圣維南方程組

其中，表示在管道中的污水的高度,?表示污水流量,?表示水流方向的距離；?A表示垂直于方向的管道的橫截面積。表示地面坡度；表示摩阻坡度，表示流體的統(tǒng)一速度，表示曼林粗糙系數(shù)，T表示排水管道的直徑,i表示旁側(cè)流量，t表示時間，g?表示重力加速度；

2)線性化圣維南方程組

方程組采用泰勒級數(shù)展開的方法進(jìn)行線性化。將排水管道的入口處，即x=0處的水流流速和水位高度作為初始條件。線性化后方程組如下：

???????????????????????????其中：，，

表示排水管道的直徑；表示水波的初始速度；?表示管道周長，代表入口處水流的橫截面積。

3)對線性化后的方程組進(jìn)行拉斯變換及矩陣求解

首先對方程組中兩個方程分別進(jìn)行拉斯變換，其中和分別代表和的拉普拉斯變換變量。然后通過轉(zhuǎn)化把方程組表示為如下的矩陣形式。

上述矩陣在均勻流條件下的解是通過轉(zhuǎn)移矩陣獲得，滿足矩陣微分方程。為系數(shù)矩陣，所示的矩陣微分方程的解可以通過Picard迭代計算，其解形式為，為了獲得該解，需要對系數(shù)矩陣進(jìn)行對角化。

通過重新整理和應(yīng)用上游和下游邊界條件，圣維南的轉(zhuǎn)移矩陣表示如下:

其中，

，

計算即可獲得最終應(yīng)用于排水管道的水力學(xué)傳遞函數(shù)模型，利用管道的輸入流量和閥門前的流量。即可利用該模型計算出管道中處的水深。

4)?確定矩陣系數(shù)

對圣維南的轉(zhuǎn)移矩陣通過低頻近似簡化,計算出本來的增益和極點。和，、?、和通過處求極限獲得。通過相似的方法可知和。其中和

其中和。將和利用泰勒級數(shù)展開，忽略高階項的影響，等式變?yōu)椋汉停渲??和，表示排水管道的長度。

5)閥門的控制作用

閥門在排水系統(tǒng)中起到調(diào)節(jié)管道輸出流量的作用，在實際應(yīng)用中，為了防止污水溢出率的減少，控制相應(yīng)的輸出流量，使管道中的水位增加，進(jìn)而使管網(wǎng)發(fā)揮最大的儲水能力。

通過閥門的開度作為控制變量，可以控制管道的輸出流量。

增加了閥門控制的排水管道水力學(xué)計算模型如下：

通過相應(yīng)的閥門控制，得出通過閥門后的流量模型如下：；

-閥門隨時間的開度，B-閥門的寬度，-流量系數(shù),g-重力加速度，?-閥門前的水位高度，L-管道的長度。

本發(fā)明提供的在圣維南方程組的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出水力學(xué)傳遞函數(shù)模型方法的優(yōu)點為：

1.模型的變量較少，只需要通過輸入流量和待求點流量即可獲得水位信息。