[發(fā)明專利]基于Schohl卷積近似的管道瞬變流模擬方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110986943.6
• 申請日: 2021-08-26
• 公開（公告）號: CN113656926A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周領(lǐng);李赟杰;薛子劍;陸燕清;馮瑞琳
• 申請（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號: G06F30/18
• 分類號: G06F30/18;G06F30/23;G06F30/28;G06F17/11;G06F111/04;G06F111/10;G06F113/08;G06F113/14;G06F119/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 向文

本發(fā)明公開了一種基于Schohl卷積近似的管道瞬變流模擬方法，包括：構(gòu)建含Zielke非恒定摩阻項和粘彈性項的管道系統(tǒng)控制方程；將控制方程以黎曼問題的求解格式表示為矩陣形式，將非恒定摩阻項和粘彈性項放入源項；建立有限體積法求解體系下的計算網(wǎng)格，通過二階Godunov格式計算網(wǎng)格邊界通量；對源項中的Zielke非恒定摩阻項和粘彈性項進(jìn)行Schohl卷積近似，將源項合并到矩陣方程中，并進(jìn)行穩(wěn)定性約束；結(jié)合實際工程給出計算初始條件，得出計算結(jié)果。本發(fā)明結(jié)合有限體積法Godunov格式，對控制方程中的非恒定摩阻項和粘彈性項進(jìn)行Schohl卷積近似，可解決現(xiàn)有一維瞬變流模擬方法依賴庫朗特數(shù)，涉及到非恒定摩阻和粘彈性項計算時間長、求解復(fù)雜等問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計算水力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于Schohl卷積近似的管道瞬變流非恒定摩阻和粘彈性模擬方法。

背景技術(shù)

輸水管網(wǎng)系統(tǒng)由于閥門突然地啟閉，會產(chǎn)生瞬時高壓流動，稱為瞬變流。如果壓力過高則會造成管道系統(tǒng)的泄漏或損壞，甚至引起爆管，嚴(yán)重威脅著飲用水安全供給。因此，探明管道系統(tǒng)液體流動狀態(tài)，對保障輸水管網(wǎng)安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

管道系統(tǒng)的一維瞬變流模擬是探明管道系統(tǒng)流動狀態(tài)的有效手段。以往的一維瞬變流模型中多使用Zielke原始加權(quán)函數(shù)非恒定摩阻模型，結(jié)合廣義K-V粘彈性模型，利用特征線法求解瞬變管道壓力和流量變化。該方法存在以下缺陷：1)Zielke原始加權(quán)函數(shù)模型需要存儲歷史時刻流速變化，導(dǎo)致計算時間較長；2)原始K-V粘彈性模型求解方法復(fù)雜，且使用一階近似；3)特征線法對于單管較為方便，但在復(fù)雜管道模擬時需要插值近似，容易產(chǎn)生數(shù)值耗散。

因此，亟需一種精確、高效、簡便的輸水管網(wǎng)瞬變流模擬方法，對于輸水管道系統(tǒng)安全運行、管道狀態(tài)實時監(jiān)測具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的一維瞬變流模型中存在的計算時間長、求解復(fù)雜、通用性差以及難以實時監(jiān)測等問題，提供一種基于Schohl卷積近似的管道瞬變流非恒定摩阻和粘彈性非恒定摩阻和粘彈性模擬方法。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于Schohl卷積近似的管道瞬變流非恒定摩阻和粘彈性模擬方法，包括如下步驟：

S1：構(gòu)建含Zielke非恒定摩阻項和粘彈性項的管道系統(tǒng)控制方程；

S2：將控制方程以黎曼問題的求解格式表示為矩陣形式，將非恒定摩阻項和粘彈性項放入源項；

S3：建立有限體積法求解體系下的計算網(wǎng)格，通過二階Godunov格式計算網(wǎng)格邊界通量；

S4：對源項中的Zielke非恒定摩阻項和粘彈性項進(jìn)行Schohl卷積近似，將源項合并到矩陣方程中，并進(jìn)行穩(wěn)定性約束；

S5：結(jié)合實際工程給出計算初始條件，利用Fortran編程得出計算結(jié)果。

進(jìn)一步地，所述步驟S1中管道系統(tǒng)控制方程的方程式為：

式中，H為管道某截面處壓力；V為管道某截面的平均流速；ε_r為管道遲滯應(yīng)變；a為有壓管道水中波速；g為重力加速度；x為沿管道軸線的距離；t為時間；D為管道內(nèi)徑；ρ為流體密度；f為達(dá)西-維斯巴赫系數(shù)；v為水的動力粘度；u為微分變量；W為歷史流速變化的加權(quán)函數(shù)。

進(jìn)一步地，所述步驟S2具體為：

其中，