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太原理工大学硕士研究生学位论文 基于阀门调节技术的城市给水管网系统优化调度研究 摘要 城市给水管网优化调度是城市给水系统管理的重要手段。传统管网压 力的调节主要是通过改变二泵站的运转工况来满足管网的服务水头。但这 样为满足少量不利点水压要求，使多数节点承受不必要的高压力，从而造 成能耗的巨大浪费和管道的损耗。 本文是基于微观建模的基础上，利用给水管网中重要的部件一阀门进 行管网压力的调节。传统的管网计算中通常对阀门等引起的局部水头损失 忽略，但是经过研究发现管网中的阀门所引起的水头损失在微观调度中的 影响是很大的。 本文在前人研究的基础上对于有阀门的管段水流的运动状态进行了分 析，并利用k - 方程建立相关的模型，并对这种流态所引起的水头损失的 变化做了一些探讨，以期对管网的节点压力进行准确的判定。 在对管网节点压力的准确的判断的基础上，利用灵敏度方法分析了基 于阀门调度的管网压力的调节，用于解决给水管网系统的压力不均衡问题。 利用节点压力变化的灵敏度和模糊聚类法进行管网分区的探讨，利用管道 摩阻系数相对于节点压力的灵敏度方程寻找阀门调度时的调节管段，利用 阀门开启度相对于节点压力的灵敏度方程解决调节管段上不同阀门的调 m 1 丁。 本文研究结论如下： 1 、由于阀门的存在，对管道的流态有干扰，阀门附近形成涡流运动， 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 这种涡流运动是造成阀门附近管道的摩阻不同的主要因素。阀门在不同的 开启度下，阀门对于管道的干扰长度是不同的。测压点设在最大挠动长度一 以外才能保证所测数据准确。 2 、在利用节点压力变化的灵敏度方程判断节点压力变化的相似性基础 上，利用模糊聚类法划定测压点所代表的区域。区域中灵敏度最大的点， 设置该区域管网的测压点。 3 、由管道摩阻系数相对于节点压力的灵敏度方程获得的管网的调节管 段，是管网或者某一区域的对节点压力影响最大的管段。通过实例验证了 调节这些管段上的阀门可以有效地改变管网中各节点或者区域中所包含的 节点压力。由阀门开启度相对于节点压力的灵敏度方程，获得对上述管段 上不同阀门的调度方法，以获得阀门的开启和阀门开启度的控制。 关键词：给水管网，优化调度，微观模型，阀门调节，水流模拟，灵敏度 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d y b a s e d0 nt h eo p t i m a lo p e r a t i o n b yv a l v ec o n t r o lf o rur b a n d i s t r 【bu t i o nn e t w o r k a bs t r a c t t h eu r b a nd i s t r i b u t i o nn e t w o r kb a s e do no p t i m a lo p e r a t i o ni sa ni m p o r t a n t m e a n so fu r b a nw a t e rs u p p l ys y s t e mm a n a g e m e n t t h et r a d i t i o n a lr e g u l a t i o no f p r e s s u r ei sb yc h a n g i n gt h eo p e r a t i o nw o r kc o n d i t i o no ft h ep u m p i n gs t a t i o nt o m e e tt h en e t w o r ks e r v i c eh e a d b u tt h i sp o i n t st os a t i s f yas m a l ln u m b e ro f a d v e r s ep r e s s u r er e q u i r e m e n t s ，t h em a j o r i t yo fu n n e c e s s a r yn o d e su n d e rh i g h p r e s s u r e ，r e s u l t i n gi nt r e m e n d o u sw a s t eo fe n e r g ya n dp i p e l i n el o s s e s t h i sp a p e ri s a d j u s t i n gt h ep r e s s u r eb a s e do nm i c r o c o s m i cm o d e l ，a n d b a s e do nt h eu s eo ft h ei m p o r t a n tp a r t si nw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k - - v a l v ei n p i p e l i n e t h el o c a lh e a dl o s su s u a l l yi sn e g l e c t e di nt h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o no f n e t w o r ko nt h ev a l v ec a u s e d ，b u tt h eh e a dl o s sc a u s e db yt h ev a l v ei nt h e n e t w o r kb a s e do nt h em i c r o c o s m i cm o d e li sf o u n dab i gi n f l u e n c ea f t e rt h e s t u d y n e t w o r kn o d e sp r e s s u r et od e t e r m i n ep r e c i s e l yb a s e do nt h e o p t i m a l o p e r a t i o ni st h ek e yt oa c c u r a c y 1 1 7 v h e nt h e r ea r ev a l v e si np i p e s ，c h a n g eo f o p e n i n gf r o mv a l v e sw i l lm a k ev a r i e t yo ff l o wa r o u n dv a l v e t h e r e f o r e ，u n d e r a d j u s t i n g o fv a l v e s ，s t u d y i n gc h a r a c t e r i s t i co f f l o wi s i m p o r t a n tp a r t i n 太原理工大学硕士研究生学位论文 o p t i m i z a t i o no fw a t e rs u p p l ys y s t e mi nt h i sp a p e r , t h eb e f o r ed o n ei n t h e f o u n d a t i o nh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i sr e g a r d i n gt h ep i p e l i n ec u r r e n to fw a t e r s s t a t eo fm o t i o n ，a n du s eo fk - e q u a t i o nr e l a t e dt ot h em o d e l ，a n dl o s so fh e a d s c h a n g ew h i c hc a u s e st ot h i sk i n do ff l u i ds t a t eh a sm a d es o m ed i s c u s s i o n s ，f o r a c u l e a t et h ep o i n tp r e s s u t e t ot h ep i p en e t w o r kn o d ep r e s s u r e sa c c u r a t ej u d g m e n t sf o u n d a t i o n ，u s i n gt h e s e n s i t i v i t ya n a l y s i s b a s e do nt h ev a l v e o p e r a t i o np i p e n e t w o r k p r e s s u r e a d j u s t m e n t s o l v et h ep r e s s u r ei m b a l a n c eo ft h ew a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k u s i n gn o d ep r e s s u r ev a r i a t i o ns e n s i t i v i t ya n df u z z yc l u s t e r i n gc a r r i e so nt h e d i s c u s s i o no ft h ep i p en e t w o r kd i s t r i c t b a s e do nt h ep i p en e t w o r kd i s t r i c t ，u s i n g t h es e n s i t i v i t ye q u a t i o no ft h ep i p e l i n ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tc o m p a r e dt ot h en o d e p r e s s u r ef i n d s t h ev a l v e r e g u l a t i n g t h eo p e r a t i o no fp a r a g r a p h u s i n gt h e s e n s i t i v i t yo ft h ev a l v eo p e n i n gc o m p a r e dt ot h en o d ep r e s s u r em a ys o l v et h e a d j u s t m e n to fd i f f e r e n tv a l v ei nt h er e g u l a t i o no fp a r a g r a p h m a i nc o n c l u s i o no ft h ep a p e r ： 1 a sar e s u l to fv a l v e se x i s t e n c e ，h a st h ed i s t u r b a n c et op i p e l i n e sf l u i d s t a t e ，f o r m st h ee d d ym o t i o n ，t h i sk i n do fe d d ym o t i o ni st h ep r i m a r yf a c t o ro f c r e a t i n g t h e p i p e l i n e s f r i c t i o nc o e f f i c i e n td i f f e r e n t n e a r b y t h e v a l v e s a d j u s t m e n ti s r e a l i z e st h r o u g hv a l v e s o p e n i n g u n d e rd i f f e r e n to p e n i n g ，t h e v a l v er e g a r d i n gp i p e l i n e sd i s t u r b a n c el e n g t hi sd i f f e r e n t t h ep r e s s u r et a pi s l o c a t e di nb i g g e s tf l e x u r et om o v eo u t s i d et h el e n g t ht ob ea b l et og u a r a n t e et h a t m e a s u r e dt h ed a t ai sa c c u r a t e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 b a s e do nj u d g i n ge q u a t i o nn o d ep r e s s u r ev a r i a t i o ns i m i l a rb yu s i n gt h e n o d ep r e s s u r ev a r i a t i o n ss e n s i t i v i t y , t h eu s eo ff u z z yc l u s t e r i n gl a wd e l i m i t st h e r e g i o nw h i c ht h ep r e s s u r et a pr e p r e s e n t s i nt h er e g i o n ，t h es e n s i t i v i t yb i g g e s t s p o ti st h es e r v i c ep i p en e t sp r e s s u r et a p 3 t h r o u g hu s i n gt h es e n s i t i v i t ye q u a t i o no ft h ep i p e l i n ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t c o m p a r e dt ot h en o d ep r e s s u r e ，t h em a j o ra d j u s t m e n tl e n g t ho fp i p ec a nb e o b t m n e dw h i c hi st h ei m p o r t a n ti m p a c tt ot h en o d e sp r e s s u r eo ft h ep i p en e t w o r k o rl o c a ln e t w o r k c o n f i r m e dt h r o u g ht h ee x a m p l eh a sa d j u s t e dt h ev a l v e s o f t h e s el e n g t h so fp i p et ob ep o s s i b l et or e d u c et h en o d e p r e s s u r ee f f e c t i v e l yi nt h e p i p en e t w o r ki nn o d e so rt h er e g i o nc o n t a i n e d u s i n gt h es e n s i t i v i t ye q u a t i o no f t h ev a l v e o p e n i n gc o m p a r e dt o t h en o d e p r e s s u r e o b t a i n st h ed i f f e r e n t a d j u s t m e n tt ov a l v e so p e n i n gc o n t r o la n dt h ev a l v eo p e n i n gc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l ys y s t e m ，o p t i m a lo p e r a t i o n ，m i c r o c o s m i c m o d e l ，v a l v ec o n t r o l ，h y d r a u l i cm o d e l i n g ，s e n s i t i v i t y v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：二一日期： 细君舌3 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； t 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：聋生一嘞一 导师签名：日期：塑! 星：生：三 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 供水系统是一个城市的重要的基础设施，是社会经济发展和人民生活的保障。城市 的供水系统主要由水源、水厂和输配水系统组成，其中供水管网是整个系统中能量消耗 的主要部分。最初，我国的城市供水系统的设计能够满足在当时的社会和经济需求，并 考虑到了一定的规划年限，但是我国城市的人口和社会生产力水平的提高是一个快速增 长的过程，我国的很多管网的设计规模滞后，而且在设计当初很多供水管网都是按照统 一供水系统设计，使得很多城市的用水系统不堪重负，从而导致整个供水系统的压力分 布不均匀，有的区域管网压力大，而有的区域管网压力小，为了照顾低压区的供水压力， 泵站的供水压力很高，造成在管网的局部区域供水压力很大，这种供水方式，使得管网 的能量消耗很大，管网的运行费用很高。而且这种高压的存在，使得用户和管网中管道 的寿命缩短，造成管网的漏水，爆管以及断水事故的发生，造成供水量的巨大浪费。 面对日益复杂的供水系统，如何在满足供水水量、水压及水质要求的前提下，最大 限度地提高系统的经济效益和社会效益，是所有供水部门面临的重要课题。传统的城市 管网的管理主要是依据人工的经验，主观性强，随着科学技术的不断进步，规划方法、 现代控制理论及计算机技术等发展迅速，采用计算机系统进行管网的调度逐渐成为给水 管网的主要技术手段，有力地促进了系统的控制和管理水平的提高，不仅能节省大量能 耗，而且能使管网在合理的状态下运行，既满足供水的要求，也使管网的压力分布更为 合理。 1 2 给水管网调度研究的发展和现状 1 2 1 国内外给水管网调度研究的发展 给水管网水力分析计算开始于1 9 3 6 年，是运用h a r d y c r o s s 平差求解方法对环状管 网水力计算而提出的，随着计算机及其应用软件的发展，给水管网的水力计算也有很大 的发展，计算和实现上经历了三个阶斟1 1 ： 管网平差计算技术阶段：计算和校核管网运行状况，提高设计和管理水平：管网运 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 行和优化调度计算和管理阶段：利用优化设计、优化调度和计算机技术，提高运行效率 和数据资料和管理水平：自动化运行和管理阶段：由计算机总控系统进行远程控制、远 程数据传输和程序控制，实现源水水质、水位监视、管理优化调度、系统运行核算等给 水系统全过程运行模拟、控制和管理。 在此基础上，1 9 7 6 年，美国人r o b e r t 提出了最早的管网调度宏观模型：“比例负 荷”模型2 1 。此后，西方发达国家的专家学者纷纷开展了给水系统建模的研究，比如国 内外许多学者致力于这项研究，如国外的学者o r m s b e e ，t a r q u i na n dd o w d y 等。在借鉴 国外建模的基础上，我国的专家学者，如王训俭、赵洪宾、赵新华、姜乃昌等人，也进 行了卓有成效的探索，目前主要有三种宏观模型：不受比例负荷限制的宏观模型、时段 宏观模型和理论经验模型1 7 1 。出此外，赵洪宾，刘遂庆等人对于管网的微观模型也做 了一个详尽的研究。 国外的学者将调度模型分为五种3 1 1 质量平衡模型 较早采用质量平衡模型的，是针对一个单水塔的给水系统的研究，质量平衡是指进 入系统的水量等于系统需求量和水塔中水量变化量。如果有可行的泵组合能满足想要的 水塔水量，并假设水塔水位在某个变化幅度下所有节点的水压都能满足，可以使用“质 量平衡模型”。现在已发展了多维质量平衡模型，模型包括建立多个水塔流量和泵站流 量之间的加权函数关系，相关的权可以通过线性回归9 1 或非线性函数线性化2 伽求得。归 为宏观模型。 2 回归模型 如果不用简单的质量平衡模型，可以用一系列非线性回归方程来描述系统的非线性 水力特性。建立模型时，可设定不同的水塔水位及负载，然后通过校核的模拟模型获得 回归曲线】。或者通过实际的运行数据获得回归曲线。回归模型的优点在于，它能一定 程度上拟合系统的非线性特性。归为宏观模型。 3 简化的网络水力模型 是非线性回归模型及完全的非线性管网模型的中间形式。在这种形式中，管网水力 模拟可以使用近似的管网宏观模型，或使用线性化的水力方程进行分析。归为宏观模型。 4 完全的水力模拟模型 即微观模型。管网模拟模型能描述配水系统的非线性动力特性，一般通过求解一系 2 太原理工大学硕上研究生学位论文 列的水力方程来完成，其主要的控制方程为管网的连续性方程和能量方程。 5 神经网络模型 这是近年来发展起来的一种新型模型。由于全水力模拟模型的计算复杂，可以用神 经网络替代它对系统反应进行描述，首先对神经网络进行离线训练，然后替代管网模型使 用。供训练神经网络的数据来源于校核好的水力模拟模型。另外，神经网络也可用来自 s c a d a 系统的实时的或记录的数据进行在线训练。 1 2 2 各模型的特点 给水管网模型大体上分为两类，一类为宏观模型，另一类为微观模型。给水管网宏 观模型的其建立是在管网的简化基础之上，表示管网水量与水压函数的简单模型，计算 方便快捷，但忽略了给水系统的网络拓扑结构，并不能了解非测压点、非监测管段流量 或阀门等信息。微观模型是按照管网实际情况，包括管网所有元素( 管段、阀门、水泵 等) ，不做任何简化所建立的模型。微观模型要求管网拓扑结构清楚，资料档案比较齐全， 反映给水系统结构的真实性，能用于配水系统中的日常维护与管理工作；缺点是建模工 作量大1 4 】。但随着g i s ，s c a d a 等数据采集系统和管网管理的规范化，微观模型在管网 建模中的优点体现出来。本文是研究基于阀门开启度的管网模型，需要管网的真实的拓 扑结构，能够反映管网的元素的变化问题，但是由于管网微观模型的结构非常复杂，因 此为了研究的方便，需要进行管网模型的适当的简化。 1 3 课题的提出和意义 1 3 1 课题的提出 目前，给水管网的调度主要通过泵站来实现，通过不同的开泵方案、变速泵的不同 转速以及通过蓄水池或水塔的管理策略进行调度。但在实际上，由于管网在运行和管理 上，以及当地的地形等特点，使得管网系统的压力不平衡，这种不平衡通过泵站的调度， 满足少量不利点水压要求，使多数节点承受不必要的高压力，从而造成能耗的巨大浪费 意义，所以调度的意义并不是很大。 在管网的传统水力计算中，阀门是作为局部阻力的一个部分存在，由于其对于管网 的系统而言，影响不大，因此往往在管网的调度中，忽略了阀门的影响。而在实际上， 在管网中的阀门经常处于非全开状态，而非全开阀门的阻力系数是阀门全开时的几十 倍，甚至上百倍，如果管网模拟计算仍然忽略阀门水头损失，其结果可能与实际情况相 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 差甚远【4 】因此必须把阀门的局部阻力计算加入到给水系统的水力计算中。在给水管网系 统的运行中，阀门( 流量控制阀，压力控制阀，闸阀等) 的存在能够调节管段上的流量 和压力。阀门作为管网的重要的调节元素出现，是因为城市供水管网中实际阀门关闭时 对供水效果的影响远比利用传统水力模型分析的状态要严重垮】。 现在国内把阀门作为调度的主要元素考虑，主要是在管网发生爆管事故时，准确分 析事故情况，确定应关闭阀门的最佳方案，尽可能减少停水用户，降低事故损失，为及 时有效进行事故抢修奠定基础。国外一些专家对阀门的优化重在阀门位置的选择和阀门 个数的设置1 6 1 ，对于管网系统的压力平衡问题中阀门的作用和调度问题，少有人涉及。 对于管网系统的压力平衡，也就是说要改变各区的压力状况，可以通过阀门的开启 度来调节管网的压力。影响阀门的主要的因素为阀门的结构，阀门的开启度以及阀门的 口径等。当阀门的结构和口径确定后，阀门的主要的调节因素为阀门的开启度。目前阀 门在给水管网中的作用主要是设置开启或者闭合，虽阀门的开关次数是阀门质量可靠性 的重要指标，设定这个指标的意义就在于阀门的开关是阀门调度的主要手段，阀门在给 水管网中的作用并没有明显地体现。 利用阀门进行管网的调度，主要是利用了阀门对于流量和压力的调节的特性，是一 种基于微观模型的调度研究。 目前国内关于阀门调度的问题，主要停留在关于阀门局部阻力的问题上，赵洪宾等 人在试验的基础上，建立了虚拟阀门【7 】的概念，研究了虚拟阀门在管路中的特性。伍悦 滨等利用基于瞬变反问题研究了管路中阀门的开启度的问题。其他的关于阀门调度的研 究，主要集中在如何利用阀门的开启度和设置来进行管网漏损的控制。 基于上述原因，本文尝试着探讨管网阀门所引起的管段的水头损失准确的确定，以 及管网系统的分区和管网系统如何通过阀门的调度来平衡系统的压力。 1 3 2 课题的意义 本课题利用阀门的开启度问题，试图讨论阀门在管网中的作用。由于水流通过阀门 时，受阀门的影响，管道中水流的流态发生了改变，管道的摩阻也发生了改变。在阀门 调度中需要准确的计算出管道的水头损失。利用改进的管网水力计算模拟方法准确地计 算节点水压、水量和阀门开启度，确定阀门开启度的大小，对优化调度做出正确的指示。 阀门调度是根据阀门的开启度模拟给水管网的水力状态，根据要求的目标选择适当的开 启度，和阀门的选择来调节给水管网。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 研究的内容、方法和目的 1 4 1 研究的内容和方法 ( 1 ) 管网中的水流是不可压缩流体，处在紊流状态。本文在假设的前提下，试图 分析水流通过阀门时的运动状态，并利用k 一方程建立流体的理论模型。为了方便工程 的应用，用水力学基本原理来推导阀门的开启度、水力挠动与阀门阻力作用的关系，为 用阀门调度的给水管网的水力计算做好理论基础； ( 2 ) 利用灵敏度和模糊聚类法，进行管网分区的探讨。管网的这种分区方法，可以 有效地避免现状给水管网布置的不合理，以便于利用微观建模解决基于阀门的管网优化 调度问题。 ( 3 ) 试图分析阀门对于管网区域压力的影响，利用灵敏度的分析方法，建立管网节 点压力和管道摩阻系数的灵敏度，阀门的开启度相对于节点压力的灵敏度方程。尝试着 建立阀门开启度和阀门对于管网压力的平衡的调节的问题。尝试在新的调度中，考虑阀 门对于管道的扰动状态的影响。 1 4 2 研究的目的 本论文主要目的是在现有的给水管网水力计算中加入阀门这个重要因素，把阀门作 为一个重要的控制要素，研究开启度和阀门的阻力的关系，以及阀门开启度对阀门前后 水流运动状态的影响，利用阀门的一定开启度下的水力模拟结果来指导阀门调度。 同时建立基于灵敏度原理进行管网的分区。在此基础上，利用灵敏度的方法研究阀 门对于管网的测压点的灵敏度问题，初步解决如何利用阀门进行管网压力平衡调度的研 究。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章给水管网的水力特征及水头损失计算 2 1 管网水力计算的基础理论 2 1 1 管道中水流的流态特征 由于液体有粘滞性，液体流动时具有不同的流态：层流和紊流。相同液体在同一温 度、同一管道内流动时，因为流速的差异，可以处于不同的流态。层流时，液体质点彼 此不相混掺并作规则的线状运动。紊流时液体质点相互混掺，各质点的运动轨迹没有规 律，但总体说来还是沿着水管向前流动。圆管内层流和紊流时的流速分布规律不同。两 者的水头损失和流速的关系也有差别。 一般用雷诺数判别水流的流态，圆管满流流动时可根据下式算出雷诺数： r e = 一r d ( 2 1 ) v 式中r p 雷诺数 v 断面平均流速( m s ) d 管径( m ) v 水的运动粘度( m z s ) 通过试验得出，圆管满流时的雷诺数r e 2 0 0 0 时为紊流。 2 1 2 管段沿程水头损失的计算 2 1 2 1 魏斯巴赫公式 对于给水管网而言，在管网的水力计算中常用到魏斯巴赫( d a r c y - 二w 色i s b a c h ) 公 式，它是沿程水头损失计算的基础公式： _ = 五石l 石v 2 ( 2 - 2 ) 式中，九为无量纲待定系数， - j 惯上称为沿程阻力系数，可由试验确定。这个公式 是一切材质管道沿程阻力计算通用公式。既适用于层流，也适用于紊流，只是流态不同， 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 沿程阻力系数九的计算公式不同。圆管层流的沿程阻力系数五仅仅是雷诺数r e 的函数， 且与雷诺数成正比，其本质上是与管段的通流量成正比，这个结论被后来的尼古拉兹试 验所证实；紊流的沿程阻力系数九往往要依靠试验确定。 2 1 2 2 尼古拉兹试验 为了研究紊流沿程阻力系数兄的变化规律，尼古拉兹在1 9 3 3 年对各种粗糙度的管 道进行了试验研究，比较系统地揭示了沿程阻力系数九的变化规律。 尼古拉兹采用管壁粘贴均匀砂的办法制成了人工粗糙管。试验采用了六种不同相对 光滑度( 尘= 1 5 、3 0 6 、6 0 3 2 6 、2 5 2 、5 0 7 ) ，这些参数的范围比较大，所以得到的成果比较 全面，其试验成果就是尼古拉兹图9 1 。 沿程阻力系数九的计算公式根据尼古拉兹试验结果和其他人的研究成果，对圆管紊 流三个区域沿程阻力系数五的经验公式归纳如下： ( 1 ) 光滑区( _ a 0 3 菇 尼古拉兹公式： 或普朗特光滑管公式： 布拉休斯公式 或r e 。：一u , a 3 5 ) 1 ， 上式的适用范围为4 0 0 0 7 。) 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 尼古拉兹公式 或卡门公式 五2 碎1 【2l g ( ! ) 】2 ( 2 6 ) 一1 = - 2 1 9 4 7 j 3 7 l 6 d ( 2 - 7 )- ， 由上式可以看出，紊流粗糙区沿程阻力系数九仅与相对光滑度有关，而与雷诺数无 关，紊流粗糙区的沿程水头损失与断面平均流速的平方成正比，因此，紊流粗糙区又称 为阻力平方区。 ( 3 ) 过渡粗箍区( o - 3 会6 或6 r e ：坐7 0 ) 0 0 d 柯列布鲁克一怀特( c e c o l e b r o o k c m w h i t e ) 公式： 万1 = - 2 l g 而2 5 1 + 南 ( 2 8 ) 万司i 十两石 u 叫 这个公式的使用范围广，并且比较接近于实际，工程上的管道水流多数在过渡区， 柯尔勃洛克( c e c o l e b r o o k ) 和怀特( c m w h i t e ) 将普朗特光滑管公式与卡门的粗糙 管公式相加得到，但是它是隐式函数式，运算较复杂，宜用于计算机求解。 尼古拉兹试验采用的是人工粗糙管，它与自然粗糙管相比，无论在凹凸形状、尺寸、 均匀程度和排列情况等方面都有很大的不同，为此引入当量粗糙度的概念。将各种自 然粗糙管的试验结果与人工粗糙管的结果相比较，把具有同一九值的绝对粗糙度作为 自然粗糙管的当量粗糙度。 为了解决柯列布鲁克公式在求解上需要试算的麻烦，1 9 4 4 年莫迪( l e m o o d y ) 将 上式绘制成曲线图，通常称为莫迪图。莫迪图为工业用各种不同相对粗糙度的圆管的沿 程阻力系数九与雷诺数i k 的关系曲线，根据该图查得的九值与实际情况较为符合。 2 1 2 3 巴甫洛夫公式 巴甫洛夫斯基( h h 兀a b j i o b c k h h ) 公式( 1 9 2 5 年) 见下式，适用于水流处 于阻力平方区的均匀流，且o 1 m r 3 0 m ，o 0 1 1 n o 0 4 ，此公式计算较繁。 c ：1 r 7 ( t o o 5 s )( 2 9 ) 式中，r 水力半径，1 1 1 ； r 太原理工大学硕士研究生学位论文 y 指数，y = 2 5 石一o 1 3 0 7 5 瓶( 石一o 1 0 ) ， n 0 0 2 ，可以采用 y ：1 6 。近似计算时，可按下式：当尺 1 0 m ，时，) ，= 1 3 石。 此公式的实测资料范围是：o 1 r 3 0 ，0 0 11 刀0 0 3 5 0 0 4 0 。这个范围基本包括 了工程实际中的所有情况。 2 1 2 4 舍维列夫公式 舍维列夫( a i l l e b e j e i e b ) 公式，适用的区域是在紊流过渡区和租糙区，它是 在水温为1 0 摄氏度，运动粘度为y = 1 3 x1 0 6 m 2 j 条件下导出的，主要用于铸铁管与 钢管的计算。 当 ，1 2 m s 时，i e t 铸铁管和钢管的计算式如下： 五：可0 0 矿2 1 ( 2 - 1 0 ) 五2 万 h = a 幻2 ：0 0 丁0 1 7 3 6 幻2 ( 2 1 1 ) 1 d 3 1 、 在过渡区( 1 ， 5 各种配件和附件都可以转化成当量管来计算。当量管是指任何流量时 其水头损失相当于水管沿程和局部水头损失之和。换算方法是在实际水管长度上外加长 度出，使得出产生的沿程水头损失等于流经该配件时的局部损失，然后将，+ ，代入沿 在给水管道中，局部水头损失和沿程水头损失相比，其值很小，在目前的管网分析 计算中，局部水头损失常忽略不计。 而实际管网中，有时局部损失是很大的，尤其在漏损点或者非全开状态阀门处，局 部损失的忽略不计在这些特殊点与实际运行状态相差很远，所以处理好局部阻力系数的 取值对于管网水力计算具有重要意义。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 阀门在管道中的特性分析 2 2 1 阀门的流量调节特性 阀门作为调节管路系统流体传输的重要元件，可按控制规律实现对流量的调节和阀 门的开启通常分为三个区，即超调区、有效行程区和无效行程区【1 6 】。 阀门流量调节强度为了衡量阀门的流量调节特性，赵洪宾等人定义阀门流量调 节强度为阀门单位开启度所引起的流量变化与该点流量之比： ，= 吉粤d c 协 口 式中，f 一流量调节强度，简称为调节强度； q 在相同压差下，过阀流量与阀门最大开度下的流量之比； k - 阀门相对开度，阀门的实际开度z 与阀门最大开度，一之比。 流量调节强度f 综合反映了阀门在某一开度下对流量的调节能力。阀门主要作用是 通过改变流量来达到控制目的，故f 反映了阀门开度变化对流量调节作用的大小。f 值 越大，调节能力越强，但当f 值超过某一值后，易出现超调现象：f 值越小，阀门的调 节能力越弱，而f 值太小会使阀门失去调节能力。 阀门固有调节性能用其固有流量调节强度衡量。固有流量调节强度也称结构调节强 度，其大小仅取决于阀门的内部结构，与是否安装在管道上无关。阀门的固有流量比吼 定义为在相同压差作用下，阀门任意开度下过阀流量与阀门在最大开度的流量之比： ，。：上堕：怛堕堕：一上盟( 2 - 1 7 ) 一q gd k1 s 聊d k d k 2 s yd k “ 式中，s v - 阀门阻抗，是阀门开启度k 的函数，s 2 m 5 k 一阀门开启度 2 2 2 阀门流场以及阻力特性的研究 对于阀门而言，其种类不同，水流的通过阀门的流场特性有所差别。其流场模拟可 以采用二维和三维模拟。由于在阀门的阀道内，水流的流动是复杂的紊流流动。目前对 于一般采用r n gk 一模型进行模拟。对于阀门而言，其水头损失表现在：在阀门的进口 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 段底部弯管处，存在细小的漩涡区；在出口段圆弧下壁出现较强的漩涡：阀口左上角也 有一微弱的漩涡区存在。对于阀门而言，在阀道内产生的旋涡形成剧烈紊动的分离回流 区是水头损失的主要原因，其次是阀道出口的主流集中在管的上壁，在上壁流速分布不均 匀、流速梯度大2 2 1 。 根据流体力学的理论公式，通过阀门的流量与通过阀门时的水头损失的关系是： q ：c v a ( 2 9 埘) ( 2 1 8 ) 式中， c y 一流量系数；g = 去 a 一阀门开启部分的面积，这里假设阀门开启部分呈圆形，m 2 ； 脯一水流通过阀f - j 时水头损失，m ； 又有：日= 上2 9 a 2 纩 孝一阀门的阻力因数( 与阀门的结构类型、口径和开度等有关，但与压力无关) 这里用k 代替寺，k 值被称为阀门的阻力系数 根据伯努利方程，对于恒定流的阀门阻力系数用下列方程表示： 孝= 哦7 2 9 ( 2 1 9 ) 式中，p 一阀门两端的压降( p a ) ，通过压差传感器获得，m ； 甜一流速( m s ) ，通过测定流量获得。 2 2 3 阀门的水力模拟 根据以上对于阀门的流场特性以及阀门在管道中的阻力特性研究分析，可以将阀门 假设为一个突扩圆管和一个突缩圆管的组合。 2 2 3 1 局部阻力损失 假定1 ) 假定断面上的测管水头为常数； 2 ) i 1 ，2 2 断面的面积相等。 根据图2 一l ，可列出方程： 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 动量方程可知： 驴( z l + ( z 2 + 钞等一百0 1 2 l , 2 ( 2 - 2 0 ) ( p l + 弦1 ) a 2 一( p 2 + 弦2 ) 如= 尸q ( 口0 2 1 ，2 一口0 1 1 ，1 ) ( 2 2 1 ) 2 、曲堂 、j 卜、 】i、 l 1 ) 。、 ， 图2 - 1 突扩突缩管示意图 f i g u r e2 - 1s k e t c ha n de x p a n d so fs u d d e n l ye n l a r g i n gp i p e 取q ，哆，o ：o 。，值均为1 0 ，则解得方程解为： 或 这里定义 驴譬= c 和2 丢= 厶丢 ，= 丝邓一妻，2 丢= 磋 突缩圆管的局部水头损失系数由经验公式有： f - o 5 ( 卜争 2 2 3 2 阀门开启度 这里引入开启度口，且定义： 以 口= a 1 3 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 小 ， a 一如 m l 4 一a l i 文 厶 岛 太原理工大学硕士研究生学位论文 由突扩管与突缩管的管径变化与局部阻力系数之间的关系曲线进行拟合曲线，得出 阀门的局部阻力系数与开启度之间的关系。如图2 - 2 所示。 阀 门 局 部 阻 力 系 数 最黾暖 图2 - 2 阀门在一定开启度阻力系数拟合曲线 f i g u r e2 - 2c u r v eo fs i m u l a t i o nw h e nv a l v e su n d e rs o o p e n i n g 2 3 在阀门调度的情况下管道的水力特性分析 2 3 1 阀门前后管道中的流态分析 给水管网的水流按照经典力学的分析基本处于紊流状态。根据边界层理论，边界层 流动在长直圆管下流动形成稳定的流态，但在水流靠近阀门处，由于摩擦阻滞作用，边 界层内水流质点逐渐减速，消耗动能，同时会出现顺压梯度，水流质点加速，抵消了一 部分因摩擦阻滞作用而消耗的动能，就维持了水流质点在边界层上向前流动；当水流通 过阀门时，逆压梯度出现，速度开始减小，这样边界层内水流质点减速，动能消耗更大， 直到耗尽，这样边界层由于水流质点堆积，迅速增厚，边界层内质点不能向前运动，由 于逆压梯度的存在出现倒流，而边界层外主导流向向前。所以在阀门后的部分区域内出 现旋涡，旋涡区不断消耗机械能，使得该区的压强不断减小，这样旋涡区的压强就小于 区域外的压强而形成压差阻力，旋涡区区域大小与阀门开启度直接相关。边界层在有压 圆管的恒定流中，厚度是既定的，在数值上万= r ；阀门后，在旋涡区，水流质点杂乱 无章，边界层的厚度很薄，可以近似认为万= 0 ，在旋涡区后，由于速度梯度、逆压梯 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 度的存在，边界层的厚度逐渐增大，最后边界层万又达到了稳定状态万= r 2 9 , 3 0 1 。 在前文，我们将阀门假设为突扩和突缩的组合。在突缩段，e r b u l l e n 认为突缩流 的能量耗散应考虑三个区域，一是管道均匀流断面到突缩断面，这一段主要是突缩断面 前的角涡消能；二是从管道突缩断面到水流收缩断面，三是水流收缩断面以后的扩展流动 区1 3 1 1 。 m c c h a t u r v e d i 在研究管道突扩流时，假定水的密度为常数、不考虑重力的影响： 沿径向的时均速度为零、平均速度恒定以及认为相对与高雷诺数下的雷诺应力，粘性剪 切力可以忽略，在此条件下推导了动量方程和能量方程的积分形式，并通过试验研究认 为：扩散段水体能量主要以紊动形式体现，又通过涡的剪切作用，最终转化为热能。高建 生等人在研究孔板消能工时认为，孔板后的流场分为三个区：势流区、混合区( 强剪切区) 和回流区，在混合区，流速梯度大，紊动切应力大3 2 1 。 综合前人的成果，这样可以描述阀门以上述假设为前题情况下的流态特征：在突扩 段出口处，水流进入下游管道，在管道边壁形成漩涡区，由于漩涡区的流速现对较低， 其动能不足以克服压力梯度，这样就形成了稳定的回流区；水流以均匀流的形态运动到 阀门前，遇到阀门的阻挡，形成角涡区。 2 3 2 管道水力状态的理论分析 2 3 2 1 理论模型 在阀门前后的水流运动状态为紊流。对于紊流流态，目前主要的计算模型为k 模 型，k - e 模型的控制方程组包括时均