（模式识别与智能系统专业论文）基于瞬变流的城镇供水管网二次加压模拟研究.pdf

p r o f e s s o rx us h i r o n g m a y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 侗各 日期：钓1 1 年6 月8日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曲。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：伺各日期：勃1 1 年二月罗日 导师签名：询 日期洲1 年易月 7 日 基于瞬变流的城镇供水管网= 次加压模拟研究 摘要 城镇供水管网二次加压系统在实际运行中，由于存在用户需水量的频繁变化， 调度水泵改变工况、阀门的启闭、事故停泵等因素引发管道中的瞬态工况，增加 了管网系统的水力负荷，瞬变流造成管网的压力波动，有的甚至可能达到稳定的 数倍或数十倍，从而对增压供水系统的稳定性以及市政给水管网的安全运行产生 较大的危害。因此，对给水管网二次加压瞬态工况进行数值模拟研究分析成为极 具实际意义的课题。 本文选用一维流体分析软件f l o w m a s t e r 对给水管网二次加压系统瞬态工 况进行水力动态模拟，运用软件系统原有数据库元件对管网系统进行简化建模。 针对模拟结果进行了系统的分析，为增压泵管网供水系统以及叠压供水设备的准 入设计提供理论技术支持，通过实际工程实例模拟计算得到如下结论： ( 1 ) 在管网直抽增压泵供水系统中，增压泵的启动采用闭阀启动产生的瞬时 压力波动明显较小，有利于市政管网的稳定运行；在增压泵开启和事故停车过程 中，合理地优化阀门的动作以及采用空气缸能有效减小水锤的影响；对于时变化 系数较大的区域，采用工频增压泵与高位水箱联合供水，可以起到削峰填谷的平 衡作用，提高了供水保证率，进而在一定程度上降低了市政供水设施的规模和投 资，同时对整个管网增压泵供水系统的安全节能大有益处。( 2 ) 通过对水池加压 供水系统与直抽增压供水系统进行模拟比较得到，直抽增压供水系统更具技术经 济优势，但合理地确定水池临界标高能有效降低能量的浪费。( 3 ) 叠压供水设备 准入接市政供水管网必须满足叠压给水设备不超量取水、能有效防止负压发生及 叠压供水设备本身有关卫生安全方面的限制条件；通过工程实例模拟定量分析得 到某一具体管段的实际最大抽取量以及计算设备安装选择合适的高程，对保证饮 用水安全有重要意义。( 4 ) 对叠压供水设备引起的瞬态现象进行模拟得到：叠压 泵的缓慢启动可以减小泵后压力对管网的影响以及泵前压力对市政管网的影响； 以多台小型叠压泵替代大泵错开启动对市政给水管网压力以及泵后总压力波动影 响较小；在对同一管段接入两套或者多套叠压供水设备时，采取错开启动时有利 于市政供水管网的稳定运行，降低瞬变流对管网造成的潜在危害；叠压供水设备 在进行工况切换使用，需要对整个更换过程进行水力模拟，有效控制水击波压力 对整个系统的影响。 关键词：二次加压供水系统；瞬变流；水锤；数值模拟；f l o w m a s t e r 软件 a b s t r a c t ih e r ea r es o m ef a c t o r s ，s u c ha sf r e q u e n t l yc h a n g i n gw a t e rd e m a i l d s ，s c h e d u l i n g p u m p st oc h a n g ew o r k i n gc o n d i t i o n ，o p e n i n ga n dc l o s i n gt h ev a l v ea n ds t o p p i n go f p u m p sl ne m e r g e n c y ，e t c ，i na c t u a lo p e r a t i o n so ft h es e n c o n d a r yp r e s s u r es y s t e mi n t h ec i t y sw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，w h i c hc r e a t et r a n s i e n tn o w i nt h ep i p en e t w o r k a n da ni n c r e a s i n gh y d r a u l i cl o a d i n ga s 聃，e 1 1 t h ep r e s s u r en u c t u a - t i o nv a l u e r e s u l t s 士r o mt h et r a n s i e n tf l o wm a yt i m e so ft h es t a b i ev a l u eo rm o r e ，i e a d i n ga g r e a th a r mt o t n ep r e s s u n z a t l o nw a t e rs u p p l ys y s t e ma i l dt h es a f c t yo p e r a t i o no f w a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e m 。i 。h u si t s n e c e s s a 巧t oa u l a l y s et h et r a n s i e n to p e r a t i n gc o n d i t i o no ft h e s e n c o n d a r yp r e s s l l r es y s t e mi nw a t e rs u p p l yn e t w o r kb yn 啪e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h l sp a p e rw ec h o o s et h ef l o w m a s t e r 、) l 惋c hi sao n e d i m e n s i o n 髓a l v s i s s o f e w a r et 0p e r f o r mt h ed y n 锄i cs i m u l a t i o no ft h et r a n s i e n to p e r a t i n gc o n d i t i o no f t n ep r e s s u r e 。s u p e 印o s i t i o n a l s y s t e mi nw a t e rs u p p l yn e t w o r k ，u s i n g 也eo r i g i n a l d a t a b a s ec o m p o n e n to fs o f e w a r et o g e tas i m p l i f i e dm o d e lo ft h ep i p en e t w o r k s y s t e m ，t h e nm a k eac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa c c o r d i n gt ot h es i m u l a t e dr e s u l t 。w h i c h o 丘e r st h e o r ya n dt e c l l n o l o g ys u p p o r t sf o rt h ep r e s s u r e s u p e r p o s i t i o n a lw a t e rs u p p l y s y s t e ma n dt h ee n t r a n c ec r i t e r i o no f n e t w o r ks u p e r p o s i t i o nw a t e rs u p p l ye q u i p m e n t c o n c l u s i o n so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no na p r a c t i c a le n g i n e e r i n ga sf o l l o w s ： 【j ) us l n gap r e s s u r ep u m pt op u m pd i r e c t l yf r o mt h ep i p en e t w o r ki sg o o df 1 0 ra s t a b l er u i l l l i n go ft h e m u n i c i p a lp i p e ，f o r t h ep r e s s u r en u c t u a t i o nr e s u i t e df r o m c i o s e - v a l v e 。s t a r t u po ft h ep r e s s u r ep u m pb yi s o b v i o u s l ys m a l l ； ar e a s o n a b l e o p t i m i z a t i o no ft h ev a l v ea c t i o n 距du s i n ga i rv e s s e lc a nr e d u c et h ei m p a c to fw a t e r h a m m e r ；a st ot h er e g i o n sw i t ha l a r g eh o u r l yv a r i a t i o nc o e m c i e n t ，ac o m b i n a t i o no f g e n e r a lp r e s s u r ep u m pa n do v e r h e a dw a t e rt a n kc a ni m p r o v et h eb a l a l l c eo fw a t e r s u p p l y ，t h u s1 e td o w nt h es c a l ea n di n v e s to fm u n i c i p a lw a t e rs u p p l yf a c i l i t yt os o m e e x t e n t ，b e s i d e s ，i t sb e n e f i c i a lf o rt h es a f e t ya n de n e r g ys a v i n go ft h ew h o i ew a t e r s u p p l ys y s t e m ( 2 ) c o m p a r i n gp r e s s u r et a n kw a t e rs u p p l ys y s t e m ，d i r e c tp u m p i n g p r e s s u n z e dw a t e rs u p p l ys y s t e mi sm o r et e c h n i c a la n de c o n o m i ca d v a n t a g e s ，b u tt h e c r i t i c a l l e v e lo ft a n ki sr e a s o n a b l ea s s u r a n c et h a tp r e s s u r e t 剐咄s y s t e mc a ne f f e c t i v e l y r e d u c ee n e r g yw a s t e ( 3 ) t h ee n t r a n c ec r i t e r i o no fn e t w o r kp r e s s u r e s u p e r p o s i t i o n a l w a t e rs u p p l ye q u l p m e n tm u s ta c c o r dw i t hs o m eq u a l i f i c a t i o n s f i r s t ，i t s m l d e r d r a r p u m p l n g se c o n di tc a np r e v e n t 也en e g a t i v e p r e s s u r ee f l f e c t i v e l y m o r e o v e rt h e m 基于瞬变流的城镇供水管网二次加压模拟研究 e q u i p m e n tm e e tt h en e e do fh y g i e n i cs 9 c u r i t y ； a st ot h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g s i m u l a t i o n ，w ec a ng e tam a xw a t e ri n t a k eo fac e r t a i np i p es e c t i o nb yaq u a n t i t a t i v e a n a l y s i sa n dd e t e r m i n et h es e t t i n ge l e v a t i o no ft h ee q u i p m e n tb yc a l c u l a t i o n i t so f s i g n i f i c a n c ef o rt h es a f e t yo fw a t e rs u p p l y i n g ( 4 ) r e s u l t so ft h es i m u l a t i o no n t r a n s i e n tp h e n o m e n o nc a u s e db yn e t w o r kp r e s s u r e s u p o s t i o n a lw a t e rs u p p l ye q u i p m e n t a sf o l l o w s ：s l o ws t a r t u po fp r e s s u r i z a t i o np u m pc a nm i t i g a t et h ea r e r - p u m pp r e s s u r e e f f e c t i n go nt h en e t w o r k ，a n db e f o r e p u m pp r e s s u r ee f 诧c t i n go nt h em u n i c i p a lp i p e n e t w o r k ； s e v e r a ls m a l lp r e s s u r i z a t i o np u m p ss t a r t i n ga tt h es a m et i m ei sl e s s e f f e c t i n go nt h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o no fm u n i c i p a lp i p en e t w o r ka n dt h ea f t e r p u m p p i p en e t w o r k ，i n s t e a do fe a c hl a r g ep u m ps t a r t i n gb yt u m s ；a st ot h es 锄ep i p e s e c t i o nc o n n e c t i n gw i t ht w oo rm o r en e t w o r ks u p e r p o s i t i o nw a t e rs u p p l ye q u i p m e n t s ， i t s a d v a n t a g ef o r t h es t a b l e r u i m i n go fm u n i c i p a lw a t e rs u p p l y i n gb ys t a r t t h e e q u i p m e n t sb yt u m s ，w h i c hc 蛆r e d u c et h ep o t e n t i a lh a r mo ft h e 仃a n s i e n tn o w t ot h e p i p en e t w o r k ；a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n ，w en e e dt ot a k eah y d r a u l i c s i m u l a t i o no nt h ew h o l es w i t c hp r o c e s sb e f o r et h es w i t c ho fn e t w o r ks u p e r p o s i t i o n w a t e rs u p p l ye q u i p m e n t s ，t h u s ，c o n t r o lt h ei m p a c to ft h ew a t e rh 锄m e rw a v ep r e s s u r e o nt h ew h o l es y s t e me f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：s e c o n d a r yp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e m ；t r a n s i e n tn o w ；w a t e rh a i n m e r n m n e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l o w m a s t e rs o r w a r e 一 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 选题的背景1 1 2 与本文相关的研究现状2 1 2 1 国内外对瞬交流研究概述2 1 2 2 国内外对二次加压供水的研究概述4 1 3 研究的目的及意义5 1 3 1 研究的意义5 1 3 2 研究的目的5 1 4 论文研究的主要内容6 第2 章压力管网瞬变流的基本理论和计算方法。7 2 1 瞬变流基本微分方程7 2 1 1 水流运动方程。7 2 1 2 水流连续方程。8 2 2 瞬态水力分析的特征线方法9 2 2 1 特征线方程1 0 2 2 2 特征线方程的差分变换1 2 2 2 3 特征线法方程式的收敛性1 4 2 3 弹性管道水锤波速的计算方法1 4 2 4 基本边界条件1 7 2 4 1 上游端为已知水位水库1 7 2 4 2 上游流量是时间的已知函数1 7 2 4 3 下游端为盲端1 7 2 4 4 下游端为阀门1 7 2 4 5 串联管道连接1 8 2 4 6 分叉管连接1 9 2 4 7 离心泵2 0 2 5 本章小结2 0 第3 章基于f l o w m a s t e r 建立给水管网瞬态模型2 1 v 基于瞬变流的城镇供水管网二次加压模拟研究 3 1f l o w m a s t e r 管网建模的基础? 2 1 3 1 1 软件平台选择2 l 3 1 2f l o w m a s t e r 仿真计算原理2 2 3 2 给水管网瞬态模型的简化2 5 3 2 1 管段的简化2 5 3 2 2 节点流量的简化2 6 3 2 3 局部阻力系数的简化处理2 6 3 3 给水管网瞬态模型的建立2 7 3 3 1 基于稳态水力模型建立瞬态模型的分析2 7 3 3 2 给水管网瞬变流激励机制的分析2 7 3 4 本章小结3 2 第4 章供水管网增压系统瞬态模型的应用研究3 4 4 1 供水管网瞬态水力模型应用概述3 4 4 2 工程实例基本情况3 4 4 3 管网直抽增压供水系统瞬态模型的应用3 6 4 3 1 管网增压供水系统瞬变状态模拟分析3 6 4 3 2 增压系统与高位水箱联合使用的模拟4 5 4 4 从水池中抽吸的增压供水系统瞬态模型的应用4 8 4 4 1 水池加压供水系统的模拟4 8 4 4 2 水池加压供水系统的优化5 0 4 5 两种加压方式的技术经济比较5 2 4 6 本章小结5 2 第5 章叠压供水系统瞬态模型的应用研究5 4 5 1 叠压供水系统应用概述5 4 5 2 工程实例基本情况5 5 5 3 叠压供水设备对市政管网压力的影响分析5 6 5 3 1 叠压供水设备准入条件分析5 6 5 3 2 叠压供水设备引起的瞬态模拟6 0 5 4 本章小结6 7 总结与建议6 8 参考文献7 0 致 射7 4 硕士学位论文 1 1 选题的背景 第1 章绪论 随着我国工农业的迅速发展，人民生活水平的提高以及城镇化进程的加快， 城镇居民对生活用水的要求也越来越高。一方面表现在近年用水量的不断增加， 使得一些扩建城区离水厂较远的地方的水量水压无法得到满足；另一方面对水质 的要求不断提升【1 1 。城市供水管网系统是每年都在不断扩建和改建，以来满足人 民生活和生产的需要，加之我国水资源时空布又极不均匀，由此带来的水资源供 需矛盾日益加剧，很大程度上制约着社会经济的发展和人民生活水平的提高【2 】。 城镇管网二次加压供水作为一种安全节能新型供水方式越来越被社会认可。 城镇给水管网二次加压系统是将饮用水从市政管网输送到不同用户的一个复 杂的整体，包括各种不同的管道，水泵，各种阀门，储水箱等。其设计和操作必 须在经济合理条件下满足用户充足的用水量，达到国家标准的水质以及合适的水 压力。由于给水管网系统分布于整个城市，系统庞大、结构复杂、隐蔽性强、外 部干扰因素多、且管道材料质量差异较大，导致管网事故频繁发生。在发展中国 家和发达国家，每年都要投入大量的资金用在新的供水管网规划建设以及旧的管 网修复改造上；仅仅就美国而言，据估计就有8 8 万英里的无衬砌铸铁管和钢管处 在不利的环境条件下，整体计算起来约需要3 4 8 0 亿美元对这些管网进行改造【3 】。 在实际面对的很多问题中，我们经常忽视一个非常重要的问题，如何避免供水管 网系统经常发生瞬变流现象以及产生水锤波。 在给水管网二次加压系统中，对破坏管网有潜在威胁的事件进行瞬变流分析 是非常重要的。事实上，瞬变流的发生将引起压力、流量的相应改变，然后通过 水击波将信息传播给各个管段。快速作用事件发生时引起的瞬态变化一般非常激 烈，尤其在突发事件中，例如动力泵的突然停止和非正常启动，阀门的紧急操作， 消防事故的发生或者主管爆破等等【4 】。一般来说，瞬变流事件的特征是呈现出精 确的起伏压力和流速，因为压力的变化幅度相当之大，当压力增大到一定程度时 可能会破坏管道或损坏其他设备，或者使水力流动混乱。 在实际管网加压系统中由于水泵的停启和阀门的控制，所以瞬变流事件的发 生是正常的而且是不可避免的。对于那些地势较高的区域，静压较高或较低的位 置，以及离储水箱较远的区域发生瞬变流现象就更加普遍了，而且有时在发生消 防事故时给水管网系统必须承担满足消防用的水压和水量。尽管消防事故不经常 发生，但是这些可能是管道设计时必须考虑的制约因素，因此在设计过程中应该 基于瞬交流的城镇供水管网二次加压模拟研究 综合评估各个消火栓设置点发生火灾时消防用水的供用能力。即使所有消火栓设 置点同时发生火灾的可能不现实，但仍然要充分考虑到各种消防类型用水的总量。 尤其是在事故中消火栓的突然打开，这样很可能造成一个很大的瞬时压力。 最近由二次加压引起的瞬态现象导致的水质安全问题也引起了专业人士的关 注，在水质模拟中系统瞬态压力的减少或者引起负压能够使污染物通过管网漏损 侵入到管道中来。在现实管网中，由于所有管道都存在或多或少的漏损和发生水 力瞬变流现象，所以低压瞬变流事故将潜在的可能被污染的水质引入到管道系统 中是很有可能的。事实上，一些学者在饮用水管道附近采取一些土质和水的样本， 检测管道周边是否存在有大肠杆菌、芽孢梭菌、芽孢杆菌、噬菌体和肠道病毒等 微生物。研究发现【5 6 】：在所收集的实验样品中高达5 0 以上都检查出有各种指 示性微生物和肠道病毒。结果表明管网系统在发生低压事故或负压时，微生物可 能直接通过管道漏损进入到管道系统中。由于这些原因，所以当我们在评估系统 运行设计或最终费用时，瞬变流事故对管网二次加压供水系统的影响是不可忽视 的。管网事故不但造成了严重的经济损失、影响了人们正常的生产生活和城市交 通，而且降低了政府威信、破坏了城市形象，不利于和谐社会的建设【7 】。 鉴于上述情况，在供水管网二次加压系统中进行水力瞬态分析模拟是很有必 要的而且当前保证供水管网系统运行安全、科学指导管网运行调度管理和改造 工作、有效减少管网事故的发生频率已经成为供水行业和科技部门的迫切任务。 1 2 与本文相关的研究现状 1 2 1 国内外对瞬变流研究概述 1 2 l 1 国外研究瞬变流应用进展概述 瞬变流分析的应用研究大致可分为三个发展阶段：第一个阶段是相关基本理 论的研究，最开始研究瞬变流水击理论源于1 9 世纪中期，法国工程师m e n a b r e a 【8 】 最早观察并研究水击现象，于1 8 5 8 年发表了有关水击的记录并首先用能量分析法 解释水击的基本理论，成为弹性水击研究的奠基人。1 9 0 4 年j o u k o v s k y 【9 】在研究莫 斯科供水管网系统中的瞬变流现象时，将水力冲击现象命名为水锤，并根据牛顿 第二定律提出了管道刚性水柱理论，第一次提出了直接水击压强的经典计算公式。 1 9 0 4 年，a l l i e v i 【1 0 】也系统地研究了水击理论与计算方法，以及后来推导出瞬变流 微分方程组，因此奠定了瞬变流分析的理论基础。1 9 1 9 年g i b s o n 【1 1 】对引水管系统 在缓慢关闭的情况下进行了瞬态水击分析的相关研究，提出了通过封闭管道中的 水击测流速的方法。 第二个阶段研究进展是在计算机还没有出现之前许多学者对瞬交流分析计算 方法的研究，并对水击的计算方法和工程所需要解决的问题进行了很多相关研究， 硕士学位论文 1 9 3 0 年之前，水击的计算方法主要采用的是意大利科学家a 1 1 i e v i 【1 0 】提出的瞬态水 击分析的基本方程组，利用解析法求解基本方程组，该计算结果主要应用于简单 管道的关阀水击计算。1 9 3 5 年a n g u s 【1 2 】提出了封闭管道中水击升压的简单图解法， 其基本思路是将瞬态基本微分方程式转化为共轭方程通过作图求解，该方法不仅 能够求出管道端点的水锤压力以及中间断面的水锤压力，而且简单直观，所以图 解法在没有计算机计算之前被广泛应用于有压管道的各种瞬态水力计算。此外 1 9 5 4 年g r a y 【1 3 】首次将特征线计算方法引入到瞬态水击方程的计算中。特征线方法 能够考虑到管道中阻尼损失，通过沿特征线将水击的偏微分方程组变换成常微分 方程组，然后转换成近似的差分方程组进行数值求解，特征线法是瞬变流研究的 第二次发展飞跃。在计算机高速发展的今天，特征线方法仍是水力瞬态计算最普 遍的方法之一。 现代科学技术不断进步，瞬变流基本理论及其计算方法也在不断完善，对瞬 态水击的研究开始由理论的基本方法转向实际具体工程的研究，在工程中主要通 过理论的研究与实践结合应用在管网的安全经济运行方面。1 9 6 3 年s t r e e t e r 【1 4 】提出 用分段关闭阀门的方式控制水击。c r a n e 【1 5 】，k e v i n 和m i c h a e l 【1 6 】等人均对输配水管 网中压力控制策略进行了研究。他们的研究指出：通过对水泵、阀门等设备控制 管网中的运行压力和最大流速是控制管网中瞬态水击压力、预防水锤危害的关键。 h y u kj a ek w o n 【1 。7 】运用特征线法、二维法以及隐式法三种方法对管网瞬态进行模 拟研究，并通过实验方法与三种方法的模拟结果进行对比分析，结果表明三种方 法的模拟结论与实验所测的结果基本吻合。 2 国内研究瞬变流应用进展概述 国内对瞬变流理论的研究起步相对较晚，清华大学工程力学系从7 0 年代末开 力于水击理论和水击分析的研究工作，翻译了由s t r e e t e r 教授和w y l i e 教授【1 8 】 的水力瞬交流一书，并进行了防水锤阀门的相关研究，其成果汇集于王 【1 9 1 教授主编的工业管道中的水锤一书；1 9 9 3 年由金锥【2 0 】等教授编写的停 锤及其防护的出版，是国内瞬变流应用研究的一个里程碑；国内近三十年 瞬变流研究都是以这三本书为基础的，下面介绍近十年国内其他学者关于瞬 方面的应用研究进展： 郑大琼【2 l 】等人通过瞬变流数值模拟分析计算，可以预测系统内由增压水泵的 以及管网内某些阀门的开闭所引起的压力波动，以防止复杂供水管网出现有 锤。他们的研究表明：阀门关闭的过程中对产生水锤压力有较大的影响，特 采用先快后慢的两阶段关阀方式，可以有效降低管道水击压力，同时也可以 空气缸和放气阀等调压设施防护负压引起的非常水锤，可以根据具体情况确 压设施的形式、尺寸、位置设置。伍悦滨【2 2 3 】等对城市给水管网系统水力瞬 况进行了模拟计算；研究表明在实际管网运行过程中，仅仅由于某些用户需 基于瞬变流的城镇供水管网二次加压模拟研究 水量的频繁变化，就有可能导致管网中某些管段的压力出现较大的波动，因此对 管网进行瞬态分析是有必要的。孟振虎、陈忠毅【2 4 】等应用特征线法对典型的环状 管网以及管段问的阀门关闭产生的水锤现象进行了瞬态水力计算分析，研究表明： 阀前阀后管段中的关闭水锤较管网其它管段要大得多，按本文计算所用的阀门特 性，水击瞬态压力急剧上升时的阀门开度低于2 ，控制好此后的阀门关闭过程对 降低水锤很有意义，延长给水总管阀门的关闭时间有利于降低关闭阀门时的瞬间 水锤。陈凌【2 5 】等以上海北自来水供水管网为例，在稳态模型的基础建立瞬态模型， 通过对管网情况进行瞬态权值计算确定管网模型计算的范围，将评分概念引入瞬 变流计算需求分析中，从而为瞬态分析由定性层次拓展到定量层次上，与传统的 方法相比更能突出其优越性。 1 2 2 国内外对二次加压供水的研究概述 管网直抽加压供水最早在2 0 世纪8 0 年代中期日本开始研发的，首先对“直接给 水方式”的必要性和可行性进行了深入探讨和技术研究；日本厚生省在实施方针性 文件“面向2 l 世纪的供水系统改造和再构筑的长期目标”中将直接给水系统列入规 划，并修订了相关的给水设计规范【2 邑2 7 】；到9 0 年代末期，直接供水技术已在发达 国家得到普遍应用。谢毅【2 8 】等研究直抽式二次加压方式对城市市政供水管网的影 响，研究结果分析指出：直抽式二次加压方式会引发供水管网中的瞬变流，但只 要合理地控制瞬变压力的范围、限制抽水管段和抽水量，直接抽水二次加压在实 践上是可以完全实现的，即在市政供水管网中直接抽水的二次加压方式不会对管 网供水安全和可靠性造成较大的影响。孙建民【2 9 1 、李刚【3 0 】等研究给水管网中增压 设备的应用对管网的影响，通过介绍该设备的工作原理，研究指出：管网增压设 备应用于二次加压可保证供水水质，节省投资和运行费用，有效对流量进行分配 可以保证水压稳定，说明增压设备的应用的可行性以及相比传统二次供水带来的 节能、环保等方面的效益。樊建军、王峰【3 l 】等提出了叠压技术在实际工程应用中 可能出现的工程隐患及相应的预防措施，强调了合理地确定市政管网最低压力的 重要性，并对增压泵机组的配置和运行进行了优化设计。李世英【3 2 】研究直接式管 网叠压供水与传统供水方式的比较，由于直接式管网叠压供水方式能够充分利用 自来水管网的剩余压力而具有节能的效果，并通过工程实例得到：叠压供水方式 相比传统供水方式节能约5 0 ，节省占地面积8 0 和工程造价4 7 ，此外将叠压供 水方式推广到消防给水。周克梅，窦建军【3 3 4 】等对南京市竹林增压站的优化运行 分析进行了研究，指出从供水系统安全经济的角度分析，认为竹林增压站宜采用 调峰运行方式。 硕士学位论文 1 3 研究的目的及意义 1 3 1 研究的意义 随着我国工农业的迅速发展，以及城镇化进程化的加快，人们日益增长的供 水量不断加大，供水要求也越来越高，但如何保证管网系统的供水安全是人们所 要面临的棘手问题。一方面要保证达标出厂水在输送到用户的过程中水质安全可 靠，避免受到二次污染；另一方面保证管道和设备在正常的工作范围内运行，防 止管网系统压力过高而发生爆管事故，同时也避免造成压力过低而产生负压损害 设备以及污染饮用水。在实际运行过程中，由于用户需水量的频繁变化、调度水 泵改变工况、阀门的不合理启闭、突发事件的发生等造成流量的瞬间变化可能导 致供水系统管网中的压力达到正常情况下数倍或者数十倍，远远超过管道的承受 能力，从而引发供水不安全事故。 据报道，1 9 7 3 年1 1 月株州【1 9 】某水厂启泵时发生空泡水锤，产生的巨大压力使 阀门后管道破裂，泵房全部淹没在水中，造成了较大的经济损失。1 9 8 1 年北京某 石化厂由于错误的操作产生严重水锤，造成水管爆管，水柱冲高超过1 0 米，损失 相当惨重【3 5 1 。宝鸡市【3 6 】自来水公司冯家山水库取水工程，该工程由冯家山水库取 水至水处理厂，管长1 0 2 k m ，管径d n l 2 0 0 混凝土管，重力流输水，管道首末端 高差1 6 m ，子1 9 9 8 年建成后，通水4 0 天爆管三次，直接经济损失超过6 0 0 万元。2 0 0 3 年夏季南昌市因为持续高温，各行各业需水量大增，特别是人们生活用水激增， 使得供水部门不得不提高水厂供水压力以满足城市居民用水，随意增开水泵导致 陈旧的管道不能承受瞬态高压冲击而频繁爆管，日平均爆管3 0 次以上【3 7 j ；与此同 时也有很多的地方水压不够，需要增大压力才能满足用户的要求。这些管网事故 使我们体会到：对管网工况进行瞬态水力模拟是很有必要的，这样可以找出事故 的原因以及采取有效可行的措施，控制管网中压力波动范围，预防管网运行事故 的发生。 供水安全是现代化城市可持续发展的重要基础条件，具有非常重要的意义和 作用。目前在供水管网系统运行中由于瞬变流动的产生，系统不仅会受到瞬时高 压的冲击，并产生振荡流动，也可能会受到瞬时低压的影响而产生空穴，发生空 蚀，轻则影响到设备的使用寿命，重则会给供水企业造成极大的财产损失、导致 部分地区缺水，严重时还会发生事故，直接危害安全生产【4 】。因此研究供水系统 的瞬变特性，找出防止瞬变流发生或控制瞬变程度的方法，具有很深远的意义。 1 3 2 研究的目的 ( 1 ) 对有压管瞬交流的基本理论和计算方法进行系统分析； ( 2 ) 基于稳态流水力模型建立瞬变流给水管网模型，对给水管网中发生的瞬 基于瞬变流的城镇供水管网二次加压模拟研究 态工况进行系统研究和分析； ( 3 ) 针对供水管网系统二次加压系统的复杂性，从系统观点出发，以瞬变流 基本理论为基础将城镇供水管网以及二次加压供水管网视为一个整体建立水力模 型，研究这一系统在水力过渡情况下系统的状态特性，减小因瞬变流带来的安全 隐患提供理论依据，并且采取相应的措施和制订出切实可行的设计运行方案，保 证供水管网在二次加压运行过程中安全经济。 1 4 论文研究的主要内容 如前所述，给水管网瞬态过程直接影响到泵站与管网运行的安全性和经济性， 本文结合实际工程，运用水力非恒定流过程的基本理论和数值计算方法，基于 f l o w m a s t e r 软件平台对给水管网二次加压系统瞬变流特性及实时操作控制进 行计算分析与研究。从而为供水管网系统的工程设计和经济运行提供技术指导。 本文主要进行的工作如下： ( 1 ) 介绍供水管网瞬变流的基本理论及其计算方法；对f l o w m a s t e r 软件 的仿真计算原理进行了说明，然后以f l o w m a s t e r 软件为平台，建立基于稳态 的瞬态流管网水力模型，对管网瞬变流激励机制进行了系统分析。 ( 2 ) 结合工程设计实例对城镇给水管网二次加压系统进行模拟分析，研究直 抽增压供水系统与水池加压供水系统两种加压供水系统分别对市政供水管网的运 行影响，并从安全经济方面对其进行模拟比较。 ( 3 ) 通过实际工程对叠压供水系统引起的瞬变流现象进行模拟，并采取相应 的措施对管网瞬态压力进行有效控制，减小瞬态压力对市政供水管网系统的影响， 为二次加压供水系统的设计应用提供科学指导方法和技术支持；并且制定出可行 的运行技术方案。 硕士学位论文 第2 章压力管网瞬变流的基本理论和计算方法 本章的内容包括：瞬变流的基本微分方程、瞬变流的特征线计算方法、边界 条件的处理、弹性管道水击波速的计算方法等，这些内容都是压力管网进行瞬态 水力计算的基础，也是本文所涉及到的理论依据和计算的基本方法。 2 1 瞬变流基本微分方程 在有压管道瞬交流方程【1 8 】推导的过程中，为了方便分析和推导，需要采用下 列假设条件： ( 1 ) 流体在管道中是一维流动的均质流体； ( 2 ) 在任何时刻管道中均充满液体，且不考虑引起的水柱分离现象的发生； ( 3 ) 管道和流体发生的是弹性、线性变形； ( 4 ) 非稳态下的摩擦阻力损失和稳态下相同。 2 1 1 水流运动方程 流体的运动方程也称为动量方程，它可以用动量的基本原理进行推导。取如 图2 1 所示的微小隔离体作为研究对象，假设隔离体的长度为d x ，其断面面积为a ， 管道的倾角为旺。假设x 坐标的方向与原来的水流方向一致。 图2 1 运动方程隔离体 隔离体的受力如图2 1 所示。上游侧的水压力为b = 户g ( 日一z ) 彳；下游侧的水 压力为p 2 = p g ( 日一z ) 4 忱掣踟；水体与管壁之间的摩擦阻力为t 兀d 6 x 。根 一c游 据牛顿第二定律，设水流的加速度为华，则流体的运动方程为： 讲 基于瞬变流的城镇供水管网二次加压模拟研究 一腭掣艿州一俐融s i n 口+ 万肺x ：州以婴 ( 2 1 ) 将s i n a d z d t 代入上式整理可得 1 掣一g 警+ 品= 警 汜2 ， o x戤o um 将警= y 尝+ 詈，罢= 警代入式( 2 2 ) 移项可得 g 警+ y 尝+ 罾一啬= o ( 2 a x呶o | p u 式中f 可采用达西一威斯巴哈( d a r c y w e i s b a c h ) 公式f = 一旦霉业计算，其 中负号表示方向与水流方向相