（市政工程专业论文）基于瞬变流动分析的给水管网事件模型基础研究.pdf

摘要 摘要 现阶段，给水管网运行状态的分析方法主要是以e p a n e t 软件模型为代表的 管网延时分析模型，分析的水力时间尺度一般为小时，所分析的状态为该时段的 特征状态，并非实时状态，只是统计意义上的“期望”状态，不能满足管网机械 设备控制动作及管网节点用水量变化的实时表达，不能更“真实”的描述管网状 态变化。管网的状态变化本质上是组成管网的各个管网物理构件的状态变化及其 对管网其它构件状态的影响，若能够知道管网构件状态的变化过程以及构件状态 变化对管网状态的影响，就能够建立管网的在线模型，能够描述管网状态的实时 变化过程。管网构件状态的变化过程一般是应用s c a d a 系统及相关算法对构件状 态进行估计。对于构件状态变化的描述及其对管网状态的影响，本文引入一个新 概念：事件模型加以描述和表达。 给水管网的事件模型抽象、封装了管网构件状态变化触发的管网瞬变流动分 析逻辑，本论文基于给水管网事件模型的分析主要作了以下各项创新性工作： ( 1 ) 架构了给水管网框架模型系统。基于面向对象的分析与设计原理，分 析了管网模型设计的要求以及将来模型应用的需要。基于模型设计的要求以及软 件工程学的方法论，构建了给水管网基础模型框架。并对管网的主要构成构件进 行具体分析，给出了管网及管网构件的模型具体表述及类型表达，它是管网事件 模型的表达基础及重要组成部份。 ( 2 ) 设计了给水管网模型系统的数据库表结构。主要包括：构件静态数据 表，动态数据表，模型选项配置表，流体特性表，单位表等。 ( 3 ) 给水管网系统用水量分析。用水量的准确估算是给水管网模型运行的 重要条件，也是给水管网事件分析模型得以建立并运行的必要条件。本文对用水 量的时序特征，空间分布及运行时管网节点用水量的计算都进行了分析。 ( 4 ) 推导了瞬变流动的动力方程与连续性方程，应用特征线法，将运动方 程与连续性方程两个偏微分方程转化为在两条特征线上的常微分方程，通过对常 微分方程积分的方法来求解流体的流量与水头等运动参量的时序变化；推导了管 网中各类边界条件的处理方法( 包括管线与连接点、水泵、阀门、水库、水箱等 构件的连接) ，对在管网瞬变流动计算中的管系分段与网格剖分问题的多种方法 作了探讨( 包括刚化法、波速调整法、内插法、重分阻尼系数法等) ，最后对瞬 变流动管壁阻力模型的发展做了回顾。 ( 5 ) 提出了管网的事件及事件分析模型的概念，讲述了事件原型的结构及 构成对象，对于多事件的模拟应采用事件池的结构来解决，同时对于事件的触发 机制及事件类型进行了分析，引进控制理论相关知识来表征流体瞬变的特性( 如： 北京工业大学工学博士学位论文 延迟时间、上升时间、峰值时间、最大超调量、调节时间或过渡时间、振荡次数 等) 。 ( 6 ) 对管网构件的状态变化对管网的状态影响进行了分析，并对示例管网 进行了案例分析，主要有：水泵停车影响分析，水泵启动影响分析，水泵调速影 响分析，用水点异常突发用水影响分析，阀门的开启、关闭影响分析等。 关键词给水管网系统；瞬变流动；事件驱动模型：框架设计；节点用水量 i i a b s t r a c t a b s tr a c t a tt h i sp h a s e ，t h ep r i m a r ym e t h o do fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m a n a l y s i si se x t e n d e dp e r i o da n a l y s i ss u c ha se p a n e ts o f t w a r em o d e l t h e t i m es c a l eo ft h i sm e t h o di sg e n e r a lh o u r s ，a n dt h es t a t eo fp i p e l i n e s a n a l y z e di s c h a r a c t e r i s t i cs t a t u so ft h a tp e r i o dt i m e ，n o tr e a l t i m e s t a t u s ，i ti so n l y ”e x p e c t a t i o n s ”s t a t e ，a n dc a nn o ts a t i s f yr e q u i r e m e n t s o ft h ea n a l y s i sf o rn e t w o r km e c h a n i c a le q u i p m e n tc o n t r o lm o v e m e n t sa n d j u n c t i o nw a t e rd e m a n dv a r i a t i o n c h a n g e si nt h es t a t u so ft h en e t w o r ka r e e s s e n t i a ll ya c c o r d i n gt ov a r i a t i o no ft h es t a t eo fn e t w o r kc o m p o n e n t s i fv a r i a t i o np r o c e s so fc o m p o n e n t ss t a t e sa n di t si m p a c t so nn e t w o r ks t a t e a r ek n o w n ，t h er e a l ti m em o d e lo fp i p e li n e sc a nb eb u iitt od e s c r i b e r e a l t i m ev a r i a t i o no fp i p e li n e ss t a t u s v a r i a t i o no fc o m p o n e n ts t a t u s i sc o m m o n l yd e t e c t e db yu s i n gs c a d as y s t e ma n de s t i m a t e db ys o m e a l g o r i t h m s t h en e wc o n c e p t i o n ：e v e n t d r i v e nm o d e l i si n t r o d u c e dt o d e s c r i b ev a r i a t i o np r o c e s so fc o m p o n e n t s s t a t e sa n di t s i m p a c t so n n e t w o r ks t a t e s t h ee v e n t d r i v e nm o d e lf o rw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e ma b s t r a c t sa n d e n c a p s u l a t e sl o g i c so fa n a l y s i so ft r a n s i e n tf l o wi n d u c e db yc o m p o n e n t s s t a t u sv a r i a t i o n s t h i sp a p e rc o m p l e t e ss e v e r a li n n o v a t i v ew o r k s1i s t e d b e l o w b a s e do ne v e n t d e r i v e dm o d e la n a l y s i sf o rw a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e m ( r ) t h ef r a m e w o r kf o rw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mm o d e li sc o n s t r u c t e d b a s e do no b j e c t o r i e n t e da n a l y s i sa n dd e s i g np r i n c i p l ea n da l s ob a s e do n r e q u i r e m e n to fm o d e ld e s i g na n ds o f t w a r ee n g i n e e r i n gm e t h o d o l o g y t h em o s tc a t e g o r yc o m p o n e n t so ft h en e t w o r ka r ei nd e t a il e da n a l y z e d a n dr e l a t e dc l a s s e sa r ed e s i g n e d ，t h e s ea r eb a s i ca n di m p o r t a n tp a r tf o r c o n s t r u c t i n ge v e n t d r i v e nm o d e l ( 2 ) t h ed a t a b a s et a b l e sa r ed e s i g n e df o rw a t e rd is t r i b u ti o nm o d e l s y s t e m ，i tm o s t l yi n c l u d e ：s t a t i cd a t at a b l e so fm o d e le l e m e n t s ，d y n a m i c d a t at a b l e so fm o d e le l e m e n t s ，d a t at a b l e so fp h y s i c a lu n i t s ，a n a l y s i s o p t i o n sa n df l u i dc h a r a c t e r i s t i c s e t c ( 3 ) w a t e rc o n s u m p t i o n sa n dd e m a n dc a t e g o r i e sa r ea n a l y z e df o rw a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m i ti si m p o r t a n tt oa c c u r a t e l ye s t i m a t ew a t e rd e m a n d a n di ti st h eb a s i cp r e r e q u i s i t et oc o n s t r u c tt h ee v e n t s - d r i v e nm o d e l i i i 北京工业大学工学博士学位论文 w a t e rd e m a n d st e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o n sa r ea n a l y z e d ，a n dt h e r e l a t e dm e t h o d sa r ep r e s e n t e do fj u n c t i o nd e m a n dc o m p u t a t i o n ( 4 ) c o n t i n u i t ye q u a t i o na n dm o t i o ne q u a t i o na r ed e d u c e d u s i n g c h a r a c t e r i s t i cm e t h o d ，t h et w op a r t i a l d i f f e r e n t i a le q u a t i o n sc a nb e c o n v e r t e dt ot w oo r d i n a r yd i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa l o n gt w oc h a r a c t e r i s t i c l i n e s ，a n dt h e s et w oo r d i n a r yd i f f e r e n t i a le q u a t i o n sc a nb ei n t e g r a t e d a l o n gc h a r a c t e r i s t i cl i n e st og e tt i m es e r i e sf o rf l u i df l o wr a t ea n d h e a d t h em e t h o d s f o rt r e a t m e n to fd i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r eg i v e n ( i n c l u d i n gp i p ec o n n e c t i o nw i t hj u n c t i o n ，p u m p ，v a l v e ，r e s e r v o i r ，t a n k e t c ) m e t h o d so fs e c t i o n i n gf o rp i p e li n e sa r ed i s c u s s e d ( i n c l u d i n gr i g i d m e t h o d ，w a v ev e l o c i t ya d j u s t m e n t ，i n t e r p o l a t i o nm e t h o d ，e t c ) f i n a ll y ， h i s t o r yo fr e s e a r c ho fw a l1s h e a rs t r e s sm o d e l si sb r i e f l yr e v i e w e d ( 5 ) t h ec o n c e p t i o n so fe v e n ta n de v e n t - d r i v e nm o d e la r ep r e s e n t e d ， e v e n t sp r o t o t y p ea n ds t r u c t u r ea r eg i v e n m u l t i e v e n tm o d e lc a nb e s i m u l a t e du s i n ge v e n tp o o ls t r u c t u r e ，t h em e c h a n i s mf o rf i r i n ge v e n t sa n d e v e n tt y p e sa r ea n a l y z e d r e l a t e dc o n c e p ti o n si nm o d e r nc o n t r o lt h e o r y a r ei n d u c e dt or e f l e c tf l u i dt r a n s i e n tf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ( d e l a yt i m e ， r i s e t i m e ，p e a kv a l u et i m e ，m a x i m u ma m p li t u d ev a l u e ，t r a n s i t i o nt i m e ， s u r g et i m ee t c ) ( 6 ) t h ei m p a c t sa r ea n a l y z e do np i p e li n e ss y s t e mo fe v e n t st r i g g e r e d b yv a r i a t i o no fc o m p o n e n ts t a t u s s e v e r a lc a s e s1i s t e df o rd e m o n s t r a t i o n p i p e l i n e ss y s t e ma r es t u d i e d ：p u m ps h u to f fa n a l y s i s ，p u m pr e s t a r tu p a n a l y s i s ，p u m ps p e e da d j u s t m e n ta n a l y s i s ，j u n c t i o na b n o r m a l d e m a n d a n a l y s i s ，a n dv a l v eo p e n ( c l o s e ) a n a l y s i s ，e t c k e yw o r d s w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ；t r a n s i e n tf l o w ；e v e n t - d r i v e n m o d e l ：f r a m e w o r kd e s i g n ：j u n c t i o nw a t e rd e m a n d i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 辨矿r o f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：逊墨垫导师签名： 日期： 甜r 2 j 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 给水管网系统模型研究背景 水是人类生存和发展的生命线，是国民经济与生态环境的命脉，是实现可持 续发展的重要物质基础。随着我国经济社会的发展，水资源短缺、水污染日益严 重已成为制约国民经济可持续发展和直接影响人民健康的重要因素。水资源短缺 不仅带来严重经济损失，而且对水资源的过度开发、利用还造成一系列的生态等 问题。在水资源短缺的同时，严重的水污染尚未得到有效控制，更加剧了水资源 供需矛盾与水生态系统的恶化。如何科学、合理的利用水资源，高效经济地发挥 给水系统的功能，是保障社会可持续发展的重要问题。 面对国民经济的飞速发展，用水安全、用水保障成为我们必须面对的重要问 题。可利用水资源的日益匮乏及用水需求的飞速增长，我们必须节约用水，避免 浪费，努力保证水的生产、输配的安全高效，合理的利用有限的水资源。城市供 水系统不仅是城市重要的基础设施，而且是城市正常运转，人民生活幸福的基础 保障。在新的时期，供水系统不仅要求安全，高效，减少漏损，保证水质安全； 而且要能够应对突发负荷、突发事件。对此，城市供水系统将日益迫切需要加强 统一信息化的管理和科学合理的输配水。 城市供水系统主要由水源、水厂和输配水管网系统组成，其中供水管网是整 个系统的主要部分，也是需要进行信息化管理和科学调度分配的主要对象。如何 对埋设在地下的管道及相关设备进行管理? 如何对给水管网的运行工况进行实 时估计? 如何应对意外及人为的异常事件? ( 如：爆管分析或恐怖分子用压力设 备向给水系统注入有害物等) 所以，建立一个统一的、便捷的供水水力、水质模 拟模型是有利的，也是必然的。 国家建设部制订的“供水行业2 0 0 0 年规划中提出了两项提高( 安全、效 益) 和三项降低( 电耗、药耗、漏失) 的目标，这标志着我国的供水事业已经进 入了加强科学管理、提高服务质量、提高经济效益的新时期。对于城市供水管网 系统这么一个结构复杂、规模庞大、用水随机性强、运行控制为多目标的网络系 统，欲实现科学管理，必须建立管网模型，仿真管网的实际运行工况。由于供水 管网系统过于庞杂、用水随机性过强等原因，影响了城市供水管网系统的科学管 理，这严重制约着城市供水事业的发展。要实现科学管理、提高效益，必须进行 城市给水管网系统模型研究。 北京工业大学工学博士学位论文 1 2 给水管网模型介绍 模型通常是指通过一些函数或一些特定的对应法则( 映射) 来模拟一个系统 的运行情况，通常可分为物理模型系统和数学模型系统n 一1 。给水管网模型这里 指的是运用数学方法仿真给水管网的实际运营情况，预测各种可能情况，测试管 网系统，并对管网的安全性和可靠性做出评估。 管网建模主要包括宏观模型、微观模型。所谓宏观模型是一种高度概化了的 管网，仅包含泵站、水池或水库及与之连结的当量管道，管网的流量集中于这些 概化了的管道中，管网构件的空间拓扑信息被忽略了。由于计算机处理能力的限 制，最初的管网建模及其应用研究都是基于宏观模型的。与宏观模型对应的是管 网微观模型，除宏观模型中的泵站、水池、水库外，微观模型内还包括了泵站配 置、关键阀门以及一定管径范围( 通常指大于某一特定管径) 的供水管道等，是 对整个供水管网空间结构及相关信息的详细反映。通过水力平差计算即可求出各 给定时刻管网各个构件的水力、水质各状态参量数据。 基于宏观模型的各种应用很大程度地依赖于所建立的管网宏观模型的准确 性，大部分宏观模型都要求管网中泵站间的相互影响较弱，以有利于建立泵站供 水参数与管网测压点压力或水池、水库水位之间的函数关系，而实际管网的供水 泵站及水库、水池等调节设施之间的相互影响必然存在甚至可能非常复杂，此时 的管网无法满足宏观模型所赖以成立的各种假设，无法保证管网宏观模型的计算 精度，从而，建立于其基础上的各种应用逻辑( 如：优化控制等) 的有效性也就 无法保证。回归模型是快速建立管网宏观模型的较为理想方式，它最大限度的忽 略了供水系统内部之间的结构关系，但由于实际的城市管网处于不断地更新与改 造过程中，管网结构的变化必然要求回归模型的更新，因此影响了宏观模型的适 用性。 微观模型的优点在于其适应性和准确性。管网的空间拓扑改变或用户用水量 等参量的调整都不致于引起整个管网模型的重建，只需对改变部分进行相应修改 即可。对于微观模型，若模型过于细致则会大大增加计算负荷，可发展管网自动 简化算法或管网自动分区算法( 可并行计算，加快计算速度) 以加快计算速度。 由于微观模型适用性广，物理意义明晰，同时计算资源日益丰富、廉价，微观模 型建模研究及基于其上的相关应用研究日益成为当前供水行业研究的热点。在以 下文章分析中，如不特别指明，给水管网模型即为微观模型。 1 2 1 给水管网微观模型简介 给水管网微观模型可分为：恒定流分析( s t e a d y s t a t ea n a l y s i s ) 、延时分 第l 章绪论 析( e x t e n d e d p e r i o da n a l y s i s ) 、水质分析( w a t e r - q u a l i t ya n a l y s i s ) 、瞬 变流动分析( t r a n s i e n t - f l o wa n a l y s i s ) 等曙1 。 恒定流分析主要是分析恒态情况下管网系统的水力特性( 即在分析时，系统 各构件状态保持不变) ，这种分析在确定消防流量和时均流量的短期影响方面有 一定的意义。延时分析主要用于分析系统状态随时间的变化情况( 即分析水力各 参量的时间、空间分布) ，例如：分析水箱充排水、阀门调节( 开闭) 、由于用 户用水量变化产生的管线流量、节点水压变化等，延时分析即是一个恒定流分析 的时间序列。水质分析主要是用于分析管网系统中水质的变化和分布以及系统水 质安全性等。瞬变流分析用于分析管线中构件性状产生急剧变化时对系统的影响 ( 即水击、气穴、液柱分离等) 阻叼，从水力学角度分析，即在分析中考虑流体 惯性项的作用，并考虑水流和管壁的压缩性和弹性作用。 恒定流分析主要是基于管网的两个基本方程：连续性方程和能量方程，通过 求解这两个基本方程来求出管线流量和节点水头。恒定流分析方法主要有：节点 水头校正法、环路流量校正法( h a r d yc r o s s1 9 3 6 ) 、管线流量法等方法。其基 本的解题思想是所谓的“试错”方法，即先假定节点水头向量( 或管线流量向量) ， ，所假定的向量一般只满足一个基本方程，可通过循环不断校正该向量，在允许精 度范围内，使之同时满足连续性方程和能量方程，所得向量即为所求解向量砸l 。 在求解解向量时，压降方程常用线性近似( w o o d c h a r l e s1 9 7 2 ) ，或 ，n e w t o n r a p h s o n 方法处理( j e p p s o n1 9 7 6 ) 这些方法有时会使结果( 解向量) 产生振荡现象，要用平均方法来加快收敛速度，若有的管子水头损失太小，收敛 性方面也会产生一些问题。给水管网的恒定流模型是基于连续性方程和能量方程 的，因此，它掩盖了管网的动力学特性，只是体现了管网中水流能量、质量的输 运、传递和耗散，只是体现了管网在“设计状态时的特性，而没有体现出管网 在边界条件改变时，管网由一个状态向另一个状态的过渡过程。 延时分析主要是用于分析水流状态随时间缓变的情况，它描述了水流流动从 一个恒定状态到另一个恒定状态的变化，但是，并未解决两个状态间将如何过渡。 水质分析主要是分析水中所含组分在管网中的输移、衰变、增展变化，主要有： 可溶物模型、示踪剂模型、水龄模型等口1 。主要研究方法有：e u l e r 法和l a g r a n g e 法嘲。 随着对给水管网运行的水力、水质安全、可靠性要求的提高，一些问题逐渐 引起人们的注意。例如：管网水流瞬变现象对管网水质、管网异物侵入的影响； 管网边界条件( 如水泵启闭、阀门开关等) 改变时，管网的水压变化对管网的 损害评估，以及能否将水压控制在一定范围，减轻对管网的损害，减少漏水量： 管网漏水时，能否及时发现、定位、评估、控制等；总之，管网的运营评估、管 网的系统诊断要求要对管网的运营工况要有进一步的了解。给水管网非恒定流水 北京工业大学工学博士学位论文 力分析模型应该得到进一步的重视。 给水管网非恒定流水力分析模型主要方法有：算术法、图解法、特征线法、 代数法、隐式法、线性分析方法、波面分析法等。本研究主要是采用特征线法， 并考虑各种边界条件来求解瞬交流动情况下，水压、流量的时间空间分布n 饥1 。 如何构建统一的模型分析系统，以将各种分析模型集成、综合，并与g i s 、 s c a d a 等系统交互，为管网系统分析及后续的各类应用开发提供基础，这无疑是 个值得研究的问题。本论文研究的目的之一就是应用事件及事件分析等概念将瞬 变流动分析模型抽象、概化，以利于与其它分析模型交互，集成。 现代给水管网模拟软件包一般都采用图形化用户界面( g u i ) ，更易于模型的 建立和结果的可视化表现，多数软件包集成了g i s 系统，对基础数据的采集和管 理也更加科学。现在主要的给水管网分析软件包主要有b e n t l e y 公司的 w a t e r c a d 、w a t e r g e m s ，美国环保署的e p a n e t 2 o ，w a l l i n g f o r d 公司的i n f o w o r k s ， d h i 公司的u r b a n 等b 9 一玉埘。 1 2 2 给水管网模型应用 大多数给水管网模型也可用于分析其他有压流体管流系统，例如：工业制冷 系统、输油管线或者输送其他不可压缩单相牛顿流体的满管流。管网配水系统由 于拓扑关系复杂、而且随时间不断发展变化，管网模型对研究管网的配水非常重 要，它对管网配水决策有重要意义。以下是给水管网模型常见的一些应用口一盯。 ( 1 ) 长期总体规划，包括新区发展和老旧管线更新等 ( 2 ) 消防研究 ( 3 ) 管网水质研究 ( 4 ) 能源策略和系统管理控制 ( 5 ) 系统设计 ( 6 ) 日常操作、维护，包括操作员培训、应急处理、故障发现及处理等 本文仔细分析了给水管网模型的基础架构、数据结构及基本模型算法，这不 仅是本文的核心“事件模型 的基础，也是其它基础模型的基础。而且，在快速 构建相关的应用分析时可复用相应的基础架构。 1 2 3 模型建立基本流程 建立模型并非仅仅是搜集数据、调试模型然后进入应用那么简单，它不是数 据和地理图文的简单堆积。模型首先必须考虑应用部门的需求，深入研究问题的 实质。特别是对于大型工程来说，必须按一定的步骤将问题分解，依次考虑、分 析，最后再总体研究。一般来说，给水管网模型建模大体可按以下流程进行d ： 第1 章绪论 i 一一i i i 曼寡量皇曼曼曼皇曼! 皇篁 ( 1 ) 与水司人员沟通，确定需求 ( 2 ) 选择问题、研究问题、运行示例 ( 3 ) 获取泵特性曲线、确认( v e r i f y ) 泵特性曲线、输入数据 ( 4 ) 获取地形图、管线图等图表，简化系统，生成工作图集，输入数据 ( 5 ) 使用相关数据，确定区域人口、规划用途，确定用水量，分配节点用 水量，输入数据 ( 6 ) 确定阀门位置( 即相关点集) 、开关状态，输入数据 ( 7 ) 收集现场测试数据，进行相关数据确认 ( 8 ) 进行模型校正、率定 ( 9 ) 设计备选方案，应用已经经过率定的模型对系统进行模拟 ( 1 0 ) 输出模拟结果、数据存储 ( 1 1 ) 模型维护、数据管理、更新 以上流程只是一般意义上建模的大致流程，具体情况还要根据具体工程实例 灵活处理。 1 2 4 给水管网模型发展简史 人类应用管道输配水的历史可追述到公元前1 5 0 0 年希腊的克利特岛，但是 应用模型来描述管网输配水则是上个世纪3 0 年代以后的事，给水管网模型发展 简史详见如下】：。 ( 1 ) 1 9 3 6 一美国伊利诺斯州州立大学结构工程学教授h a r d yc r o s s 提出求 解复杂管网水头损失方程的h a r d yc r o s s 法，该方法主要是用于手工计算和早期 计算机管网分析基础 ( 2 ) 1 9 3 8 一伦敦帝国大学c y r i lc o l e b r o o k 和c e d r i cw h i t e 提出计算管 线水头损失的c o l e b r o o k - w h i t e 公式 ( 3 ) 1 9 5 0 - m c ii r o y 网络分析器开发成功 ( 4 ) 1 9 6 0 年到7 0 年代一早期给水管网数学模型开发( d o nw o o d 。a 1f o w l e r ， r o l a n dj e p s o n ，c h u c kh o w a r d u r is h a m i r 。s i m s e ks a r i k e ll e 等) ，主要是用 f o r t r a n 开发的一些模型程序 ( 5 ) 1 9 6 0 年到7 0 年代，给水系统污染研究( w o b u r n ，m a s s a c h u s e t t s ： p h o e n i x s c o t t s d a l e ，a r i z o n a ；a n dd o v e rt o w n s h i p 。n e wj e r s e y ) ( 6 ) 7 0 年代，早期给水管网优化设计研究，d e n n i sl a i j o h ns c h a a k e 提出了第一个管网优化设计方法 ( 7 ) 8 0 年代早期，管网水质模型首次提出( d o nw o o d ，u s e p a ) ( 8 ) 1 9 8 6 一动态管网水质模型提出 北京工业大学工学博士学位论文 ( 9 ) 1 9 8 8 一梯度算法提出( e z i ot o d i n i s p i l a t i ) ，梯度算法如今被应 用于多个主流软件，例如：w a t e r c a d 、w a t e r g e m s 、e p a n e t 2 0 、u r b a n 、i n f o w o r k 4 噬【1 5 】 可0 ( 1 0 ) 1 9 9 3 一e p a 发表管网模拟软件e p a n e t ( l e w i sr o s s m a n ) ，成为一个 研发工具及一些商业水力、水质模型分析软件的基础 ( 1 1 ) 1 9 9 0 至今，各种商业软件发布，在数据管理和人机交互方面得到极 大的改善 ( 1 2 ) 2 0 0 1 一应用遗传算法进行模型自动校验和滤定n 6 埔1 ( 1 3 ) 2 0 0 2 一g i s 系统、s c a d a 系统、优化技术集成到管网模拟软件n 9 2 们 1 2 5 非恒定流( 瞬变流) 简介及分析方法发展简史 当对管网系统进行控制时，调节一些控制设备( 例如：水泵、阀门启闭) ， 或者用水量产生急剧变化( 例如：消防紧急用水) 时，就会产生瞬变流动现象。 对这种现象必须要有适当的考虑和预计，尽量减轻其对管网系统的损害乜卜2 引。 实际上，这种瞬变流现象本质上是由于流体局部受力情况发生突然变化，力 学平衡打破，产生压力波沿管道传播，压力波所到之处，影响当地的受力情况， 到达边界时，受边界条件所限，产生反射波。瞬变流现象使管线上各点的水流速 度和压力等各个参量随时问不断产生变化，直到由于阻力耗散项的作用下，达到 另一个恒定流状态。瞬变流就是描述水流由一个恒定流状态到另一个恒定流状态 时，管网系统的水力各参量的时间、空间分布。以下是历史上瞬变流动分析的主 要方法n 叭： ( 1 ) 算术法该方法忽略了阻力项( j o u k o w s k i 1 9 0 4 ；a l l i e v i 1 9 0 3a n d 1 9 2 5 ) ( 2 ) 图解法该方法在理论推导时忽略了阻力项，不过在应用时又考虑到阻 力项，加进了一个校正量( p a r m a k i a n 。19 6 3 ) ( 3 ) 特征线法该方法较通用，其将两个偏微分方程( 连续性方程和运动方 程) 转化为两组常微分方程，然后，沿特征线积分求解，该方法物理意义明确。 ( g r a y ，1 9 5 3 ：s t r e e t e ra n dl a i ，1 9 6 2 ：c h a u d h r y 。1 9 8 7 ：e l a n s a r y ，s ii v a ，a n d c h a u d h r y 。1 9 9 4 ) 2 4 1 ( 4 ) 代数法该方法的代数方程是基于管线中压力波正负向传播所要满足的 两个基本特征方程计算管网各点的参数变化情况，该法中时间用整数标号表示。 ( w y l i ea n ds t r e e t e g19 9 3 ) ( 5 ) 波面分析法该方法用波面分析方法追踪边界反射波( w o o d 。d o r s c h 。a n d l ig h t n e r ，1 9 6 6 ) 第1 章绪论 ( 6 ) 隐式法该方法用有限差分法来分析瞬变流问题，不再要求空间步长和 时间步长的关系( a m e i na n dc h u ，19 7 5 ) ( 7 ) 线性分析方法线性化阻力项，两个偏微分方程( 连续性方程和运动方 程) 的解析解会产生正弦震荡。线性分析方法可分为两种：阻抗法和自由振动法 ( 矩阵法) 。阻抗法主要是利用压力、流量、阻抗的传递函数；矩阵法利用压力 和流量的传递函数( w y l i ea n ds t r e e t e r , 19 9 3 ) ( 8 ) 摄动法该方法将非线性阻力项用摄动级数展开，从而得到管线水流流 速的显式解析表达。( b a s h aa n dk a s s a b ，19 9 6 ) 口即 1 2 6 非恒定流( 瞬变流) 管网模型应用 非恒定流( 瞬变流) 管网模型除了给水管网模型常见的一些应用以外，还可 以有以下一些应用。 ( 1 ) 预防系统损害 ( 2 ) 可提出有效的涌波控制策略 ( 3 ) 消除费用昂贵的超安全标准设计，控制管网建设预算 ( 4 ) 减小管网损害，延长管网系统使用寿命 ( 5 ) 管网设计和运行具有更高的可靠性 ( 6 ) 模拟各种瞬变情况，预防断电情况、保护操作人员安全等 ( 7 ) 发现管网异常，管网诊断，确保管网服务正常 1 3 研究现状及发展趋势 1 3 1 研究现状 1 9 3 6 年h a r d yc r o s s 最早提出应用数学方法建立给水管网模型，计算复杂 管网管线流量和节点水压。在8 0 年代以前的模型计算实践中主要是应用该法进 行手工计算或计算机计算，w o o d 在1 9 8 0 年对其算法实现进行了改进心明。同样， 在8 0 年代中期，c l a r k ，g r a y m a n 等人提出了应用恒定流计算管网水质的概念嘲， 后来将管网水质计算与动态水力模型相结合嘲。9 0 年代中后期，r o s s m a n 改进了 算法剜，并将其用于e p a n e t 软件的设计计算秘。在水质模型的改进、通用化、 推广过程中，m a l e s 脚瑚】，l i o u 泓1 ，h a r t 邮1 ，p o w e l l 汹1 等人也作出了重要贡献。 在恒定分析中，各节点用水量与各构件状态为常量，分析结果只为一特定值。 延时模型则为一个恒定分析时间序列；节点用水量、水箱水位、阀门开度、水泵 状态( 启闭或转速、扭矩值) 等各构件参量随时间变化，模型则根据特定时刻各 北京工业大学工学博士学位论文 i i 一一 。一一 ii 一一! 鼍曼曼曼曼! ! 曼量曼篁量皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼皇曼皇曼量置曼曼曼鼍舅曼皇舅 构件状态值运行恒定分析，进而形成一个恒定分析时间序列。值得注意的是：恒 定分析时间序列的时间步长并不一定是恒定值，而是根据构件参量值的变化规律 动态决定的。以下是描述恒定，延时模型的水力基本方程： 节点连续性方程： 芸( 驴咿d 出s = 。 其中：u 表示第i 节点出流量；q 表示f 节点邻接管线表中的_ 管线；n 表 示f 节点邻接管线数；霉表示水体体积的当地变化率( 若节点为连接点 ( j u n c t i o n ) 类型，则该值为零；若节点为水箱类型，则该值为水箱内水体容积 变化值) 。 能量守恒方程： 乙+ 争+ 丢+ h p = z 24 - 争+ 丢- i - 吃+ k 2 ， 其中：左端z l ，墨，罢分别表示l 节点单位重量水体位势水头、压力水头、 yz g 速度水头；右端各项类同；表示水体获得的由动力设备( 如：水泵) 提供 的水头；玩，分别为延程水头损失、局部水头损失。延程水头损失可采用 h a z e n - w il li a m s 、d a r c y w e i s b a c h 等公式计算，局部水头损失可根据具体情况 折算成速度水头计算。 水质模型可根据水力计算结果，并根据下列水质方程来计算： 水质方程： 冬：箜再v c = d v 2 c + 局錾+ 尺( c ) + s ( 1 _ 3 ) mo t i a x ： 、。 其中，c 表示组分浓度，厅表示流体速度，t 为时间，v 为哈密顿算子，v 2 为拉普拉斯算子；d 为分子扩散系数，亘表示i 方向的紊动扩散系数，一般来说， 除了管线盲端或水流滞留区外，不计扩散因素；r ( c ) 表示组分的反应速率，一 般由管网水质和水管管壁状况决定，可通过实验室“瓶试 ( b o t t l et e s t ) 测定； s 表示外部源或汇，可将水源，水箱，加氯点，污染物注入点等视为源或汇，单 独建立各类源或汇的水质变化模型，构建相应的模型库，将之与管网水质动力模 型耦合。 第1 章绪论 n,i| = i io 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼寡 国外主要水力一水质模拟软件如下表所示1 ： 表1 - i 国外主流管网水力水质模拟软件 t a b l el la v a i l a b l eh y d r a u l i c & q u a l i t yn e t w o r km o d e l i n gs o t h a r ep a c k a g e s e p a n e t 网站地址 商业模型软件公司j 机构 引擎 s e v e n a q u i s t e c h n o l o g i e s w w w 7 t d l d a q u i s n w w e p a g o v l o r d l n r m r l i w s w r d l e p a e p a n e te p a l e t h t m i l n f o w a t e r m w h s 矾、 删m w h s o f f c o m h 2 0 n e t ，h 2 0 m a p w a l u n g f o r d l n f o w o r k sw s s o f t w a r e w w w w a l l i n g f o r d s o f t w a r e c o m d h i ，b o s s m i k e n e tw w w d h i s o f t w a r e c o m m i k e n e t i n t e m a t i o n a l u n i v e r s i t yo f p i p e 2 0 0 0k e n t u c k yw w w k y p i p e c o m s a i c 。t s w g 0 w w w t s w g g o v t s w g i p l p i p e l i n e n e t t b p i p e l i n e n e t h t m s y n e r g e ew a t e r a d v a n t i c aw w