[發明專利]管網系統非恒定流模擬方法

有效

• 申請號: 201310403886.X
• 申請日: 2013-09-06
• 公開（公告）號: CN103455725A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 楊建東;王超;楊桀彬
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明屬于管網系統非恒定流計算領域，特別涉及一種管網系統非恒定流模擬方法。

背景技術

水電站過渡過程模擬的準確性在很大程度上影響著引水力發電系統結構和尺寸的設計，對水電站的安全和穩定運行具有重要的指導意義。其數值模擬涉及水機電三個方面的相互耦合，一方面的計算精度直接影響其他方面的計算結果。而對于引水發電系統中的水系統，不可避免的含有諸如尾水管、漸變段、調壓室的長連接管、短管、明渠等不適宜采用顯格式特征線法計算的管道，這些部位往往涉及到關鍵的調節保證參數，因此提高水系統的模擬精度是增加整個引水力發電系統數值計算準確性的重要條件。

水系統的模擬涉及水擊基本方程、水力節點邊界條件(如水庫、調壓室)、動力機械節點邊界條件(如閥門、機組)等的聯立求解。對于水擊基本方程，可采用顯格式差分或隱格式差分對其離散，再聯立邊界條件求解。顯格式差分法編程容易，求解簡單，便于處理非線性的邊界條件，但受庫朗穩定條件限制，適于處理長棱柱體管道。隱格式差分法無條件收斂，適用于處理非棱柱體管道、短管、明渠流等的數值模擬，但其編碼復雜，不適用于復雜的引水發電系統。

對于諸如尾水管等斷面沿軸線變化劇烈的非棱柱體管道，采用特征線法的當量管道來代替實際的尾水管改變了管道內水體的慣性分布，其直接影響利用特性曲線計算時機組軌跡線的準確性，而尾水管壓力的計算值往往是水電站設計的重要參數，其計算的準確性對于電站的穩定運行極為重要。

對于系統中一些較短的管道，特征線法要求空間步長很小時時間步長只能取更小，由于整個系統要求具有相同的時間步長，因此增加了計算機時，特別是對于一些引水隧洞長達十幾公里的電站，其計算量將會成倍增加。當時間步長稍微取大時，容易產生短管問題，短管一方面來源于較長管道劃分整數網格后剩下的管道，一方面由于引水發電系統中有些水力機械節點之間的管道本身就很短，如蝸殼前閥門至蝸殼的管道，差動式調壓室大井與升管之間的連接管道等。顯格式特征線法中常常采用調整波速、剛化管道等方法處理短管，存在不同程度的簡化和近似，而隱格式差分法求解擬線性雙曲方程組時時間步長與空間步長相互獨立，時間步長較大時仍可取較小的空間步長，易于處理短管問題。

對于調壓室水位波動一維數值計算的模型中，無論是解析解還是數值解，往往不考慮調壓室內的水流慣性，這是由于當調壓室面積較大時，調壓室內垂直方向的速度不大，水流慣性影響很小，簡化處理后便于計算。而對于一些高水頭電站和抽水蓄能電站，調壓室面積較小或者需要較長的面積較小的連接管連接壓力管道和調壓室大井，調壓室內水流慣性就不能不考慮。

對于水電站過渡過程的模型試驗或現場原型監測，測點的位置是固定的，而特征線法的空間網格等分且隨時間步長變化，網格線很難與監測點直接對應，需要采取臨近點的插值來計算監測點的參數。

綜合上述分析，將現有的模擬方法用于復雜管道系統的非恒定流模擬，模擬精度不高。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提出了一種采用顯格式與隱格式聯合求解、適用于復雜管網系統的非恒定流模擬方法，該方法在不增加模擬復雜性的同時提高了模擬精度。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案：

一種管網系統非恒定流模擬方法，包括步驟：

（1）根據管道特性將引水發電系統中的管道選擇劃分為顯格式差分計算管道或隱格式差分計算管道；

（2）對于顯格式差分計算管道與顯格式差分計算管道相連，由兩管道邊界分別提供的正負特征線方程和伯努利方程求取邊界斷面上的水頭和流量，由顯格式差分計算管道內部各斷面的正負特征線方程求解各內部斷面的水頭和流量；

（3）對于顯格式差分計算管道與隱格式差分計算管道相連，將顯格式差分計算管道的邊界特征線方程通過連接節點處的連續性方程和能量方程轉化為隱格式差分計算管道的前掃描方程，并通過隱格式差分計算管道將前掃描方程傳遞到隱格式差分計算管道末斷面邊界節點，形成廣義的特征線方程，與隱格式差分計算管道末斷面邊界節點的邊界條件聯立求解得到該末斷面邊界節點處的水頭和流量，通過后掃描過程求解得到隱格式差分計算管道內各斷面及與之相連的顯格式差分計算管道邊界處的水頭和流量；

（4）對于隱格式差分計算管道與隱格式差分計算管道相連，采用伯努利方程將相連的隱格式差分計算管道合并連接為一隱格式差分計算管道，再結合上下游邊界條件采用追趕法求取隱格式差分計算管道邊界和內部各斷面的水頭和流量。

上述根據管道特性將引水發電系統中的管道選擇劃分為顯格式差分計算管道或隱格式差分計算管道，具體為：