（水利水电工程专业论文）水力—机械过渡过程图形化自动建模研究.pdf

摘要 水力一机械过渡过程对水电站的安全性和经济性均有重要意义，其计算软件 的研发也一直是水电工程界的热点问题。但由于受软件开发环境、开发平台等条 件的限制，目前开发出来的大部分软件在通用性、易修改性、易校对性方面都有 待提高。本文根据自动形成水力一机械过渡过程数学模型软件的研究现状，着眼 于有压过水系统的主要结构形式，借鉴相关软件的开发经验，研制开发了一套基 于图形界面的自动形成水力一机械过渡过程数学模型应用软件。主要研究内容如 下： 1 在分析水电站水力一机械过渡过程的主要数学模型和计算方法的基础上，研 究了有压引水系统数学模型的特点和共性，提出了拟开发的具有图形界面自动建 模软件，该软件具有通用性强、易校对性、易修改性、界面友好等特点和要求。 2 根据图形化自动形成有压过水系统数学模型仿真软件的开发要求，对比现有 的程序开发环境、开发平台和开发工具，根据实际需要，采用v i s u a lb a s i c 开发 本软件，并介绍了软件开发技术路线。 3 详细论述图形化自动建模软件的设计方法、软件结构、相关的数据结构、算 法、关键技术及界面制作途径。 4 举出实例，根据软件开发要求，对用图形界面形成的有压过水系统进行修改， 然后输出相关数据文件，对比两个修改前后的模型之间的差异验证软件开发的 正确性。 关键词：图形化；自动建模；过渡过程；面向对象技术：软件开发 a b s t r a c t s t u d y o fh y d r o m e c h a n i c a lt r a n s i e n ti sc m c i a li n d e s i g n a n d o p e r a t i o n o f h y d r o e l e c t r i cp o w e rp l a n ta n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t a t i o ns o f t w a r ei sa l w a y s t h eh o tp o i n ti n h y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n gf i e l d b u tb e c a u s eo ft h ec o n s t r a i n to f s o r w a r c d e v e l o pe n v i r o n m e n t ，p l a t f o r m se t c ，m o s to f t h es o f t w a r ed e v e l o p e dr e c e n t l y h a v es o m ed i f f i c u l t i e si na s p e c t ss u c ha sg e n e r a l i t ya n d m o d i f i a b i l i t y , w h i c ha r e t ob e i m p r o v e d b a s e d o nt h es t a t u so f r e s e a r c ho nt h es o f t w a r en o w e x i s t i n g ，t h ea u t h o rh a s d e v e l o p e d a g r a p h i c a l i n t e r f a c e sb a s e ds o r w a r ew h i c hc a nf o r m a u t o m a t i c a l l y h y d r o m e c h a n i c a lt r a n s i e n t ，c o m p u t a t i o nm o d e lf o rh y d r o e l e c t r i cp o w e rp l a n tw i t h d i f f e r e n tw a t e r c o n v e y i n gs y s t e m m a i n m s e a r c h p o i n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a n a l y z i n g t h em a i nm a t h e m a t i c a l m o d e l sa n d c o m p u t a t i o n m e t h o d so f h y d r o - m e c h a n i c a lt r a n s i e n t ，c h a r a c t e r i s t i c s a n dc o n 2 n , l o b l e s so ft h em a t h e m a t i c a l m o d e l so fw a t e r c o n v e y i n ga r e d i s c u s s e d a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e g r a p h i c a l i n t e r f a c e sb a s e d - a u t o m a t i cm o d e l c o n s t r u c t i n g s o f t w a r es u c h a s g e n e r a l i t y , m o d i f i a b i l i t y , u s e rf r i e n d l yi n t e r f a c ea r ep r o p o s e d 2 b a s e do nt h er e q m r e m e n to fs o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dc o m p a r i s o no ft h e s o f t w a r ed e v e l o pe n v i r o n m e n t , p l a t f o r m sa n dt o o l s ，t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gv i s u a l b a s i ct od e v e l o pt h es o f t w a r ea n dt h et e c h n i c a lr o u t eo fs o r w a r ed e v e l o p m e n ta r e c o n f i r m e d 3 t h ed e s i g nm e t h o d s ，s o f t w a r es t r u c t u r e ，r e l a t e dd a t as t r u c t u r e s ，a l g o r i t h m sa n d k e yt e c h n o l o g yi nt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h e s o f t w a r ea n di n t e r f a c e sa r ed i s c u s s e d 4 t h es o f t w a r eh a sb e e nu s e df o rap r o j e c tt of o r ma n dm o d i f yc o m p u t a t i o nm o d e l o fh y d r o - m e c h a n i c a lt r a n s i e n t ，a n dt h ec o r r e c t n e s so ft h es o f t w a r ei sc o n f i r m e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eo b j e c t i v e sp r o p o s e da b o v er r ea c h i e v e d k e y w o r d s ： g r a p h i c a li n t e r f a c e s ；a u t o m a t i cm o l lc o n s t r u c t i n g ；h y d r o - m e c h a n i c a lt r a n s i e n t ； o b j e c t - o r i e n t e d ；s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 河海大学硕士学位论文水力一机槭过渡过程图形化自动建模研究 第一章概论 1 1 引言 水力机组的稳态工况主要包括静止、空载、发电、调相、逸速，在电站运 行中，由于某种原因，机组可能从一种工况向另一种工况转换，这个转换即为 过渡过程。在常规的水电站中，可能发生启动、停机、增负荷、减负荷、事故 甩负荷、紧急事故停机、飞逸、退出飞逸和发电转调相等一系列过渡过程。 水电站水力一机械系统包括水轮机、发电机、调速系统和有压过水系统。 其中有压过水系统视电站水头和布置的不n g 能包括有压引水道、引水调压井、 压力管道、尾水调压井和有压尾水道等。发生于水力一机械系统内的过渡过程 对水力机组的安全运行有着重要意义，伴随着过渡过程的是工况参数的变化， 它对水电站的运行质量也有着极其重要的意义。从以往水电站的运行经验来看， 凡属于机组部分的损坏，大多数是在过渡过程中发生的。 在水力一机械过渡过程中可能产生异常的情况有压力脉动、振动、超常的 力、力矩等。因此，在水电站设计阶段就应对水力一机械过渡过程进行分析和 预测，必须进行相应的计算，以确保水力机组的一些基本参数不超过允许范围 及相应的过渡过程动态品质；在安装、调试和运行中也应对过渡过程的控制装 置进行仔细的调整和保养，使其能正确安全地工作。研究这些过渡过程问题的 目的在于：寻求合理的设计方案，提高水力机组运行的可靠性、速动性、灵活 性，从总体上降低水电站与机组的造价，提高它们的经济性。例如，在过渡过 程不能满足要求时，往往需要采取设置调压室、加大有压输水道和压力管道直 径、加大机组的飞轮力矩等措施。从而增加投资。相反，如果能正确计算出水 力一机械过渡过程的工况参数，采取诸如分段关闭等适当的过渡过程控制措施， 就有可能达到减少调压室面积或取消调压室，减少有压输水道和压力管道直径、 减少机组飞轮力矩的目的，从而可以减少电站投资。 要进行水电站水力一机械过渡过程计算首先要建立数学模型。由于地质地 理等条件不同，水电站有压过水系统的个性很强，往往不得不对一个具体的水 电站编制或修改水力一机械过渡过程计算软件，这样做不但工作量大，而且无 法保证临时编制或修改软件的正确性。因此，出现了研究和开发水力一机械过 第一章概论 渡过程仿真计算通用软件的要求。从八十年代开始，国外和国内均进行了研究 开发通用软件的工作，目前已经有了众多成果，主要是通过人机对话方式形成 数学模型。但人机对话方式还存在一定的问题，如不直观、不易检查正确性和 不易进行修改等缺点。 本文在对水力一机械过渡过程有压引水系统分析的基础上，提出一种图形 化自动建模的解决方案。通过开发一个具有图形界面的通用软件，使用人员只 需通过该软件“画”出一个水电站有压过水系统图，并且在作图界面上输入各 装置相关的参数，软件即可自动建立水力一机械过渡过程中不同对象的仿真数 学模型并输出相关的数据文件。该软件对提高水电站水力一机械过渡过程分析 计算的效率和质量有重要意义。 1 2 研究现状及问题的提出 上世纪末随着计算机技术的飞速发展，工程技术人员可以直接使用计算机 来求解过渡过程中的参数极值，这使得对水电站水力一机械过渡过程的研究和 计算取得了巨大的进步。 理论方面，国际上已出版和发表了众多的著作和论文，对水电站发生的水 力一机械过渡过程作了深入的研究，如美国怀利的“水力过渡过程”对水力过 渡过程求解和控制作了详尽的探讨：日本秋元德三的“水击作用与压力脉动” 对水击作用的原理和计算作了细致的讨论；加拿大乔德里的“实用水力过渡过 程”对各种水力装置中水力过渡过程的计算作了详细的介绍；前苏联的克里夫 琴科的“水电站水力一机械过渡过程”对水电站上发生的水力一机械过渡过程 作了深入的研究。在此基础上基本解决了水电站水力过渡过程的基本理论和计 算方法。 软件方面，美国乔治亚理工学院m a r t i n 教授设计的过渡过程计算软件通用 性较强，软件中包含有专门自动形成数学模型的部分，不但适用于水电站，亦 适用于一般的水泵系统；国内的一些高校和科研单位在这方面也做了许多有益 的探索。8 0 年代后期开始出现了具有一定通用性的软件，如国电公司成都勘测 设计研究院刘保华开发了装有混流式水轮机的水电站水力过渡过程计算软件， 已经在部分水电设计院推广和在工程设计中应用：9 0 年代福建省水利水电勘测 设计院陈绍钢也开发了装有混流式水轮机的水电站水力过渡过程计算软件，在 塑塑查兰堡主兰堡丝兰 查查= 塑塑塾塑塾堡里堑垡垒垫壁堡翌窒 部分设计院也得到了应用；清华大学陈乃祥开发了抽水蓄能电站水力过渡过程 计算软件，并得到应用。由于受开发平台的限制，上述软件均是在d o s 下开发 运行的，其通用性是通过做“减法”来实现的，因此软件大都存在以下几个方 面的问题： 1 通用性问题 水力一机械过渡过程有压过水系统的组成形式多种多样，管网节点之间的关 蛐 图1 一l 有压过水系统示意图 系也十分复杂，早期的软件 开发由于受计算机操作系统 的限制，开发的计算软件均 只能做类似于减法的设计计 算，如图( 1 1 ) 所示，预 设系统有1 根有压引水道、1 个引水调压室，1 个尾水调压 室、1 根有压尾水道和若干个 相同型号和容量的机组( 图中，口 代表机组， o 代表调压室，以下 图l - - 2 不同型号多个机组和一个 引水调压室有压过水系统 图i 一4 多个机组和一个尾水调 压室有压过水系统 图1 3 多个机组和无调压室 分布成b 形有压过水系统 图i 一5 多个机组和无调压室 有压过水系统 第一章概论 同) 。对不同电站，可以进行减少部件的设置操作，如没有尾水调压室等，但无 法增加部件，如不能有二根有压引水道或二个引水调压室，另外也不允许有不 同型号或容量的机组。对于如图( 1 - 2 ) ( 1 5 ) 所示的有压过水系统的情 况，现有软件也不能自动形成相应系统的数学模型。因此，现有的计算软件在 通用性方面还有待进一步改进。 2 组合性问题 出于对实际工程计算需要的考虑，软件开发须针对多种过渡过程进行任意 的合理组合。如设置甩负荷、启动、带负荷、甩负荷等连续发生的工况或是对 不同机组设置不同的组合工况。 3 易修改性问题 能否自动形成水力一机械过渡有压过水系统数学模型，关键在于是否能自动 处理复杂管网进而形成数学模型，这就要求软件要有较强的易修改性。过去的 软件基本上是在d o s 平台下开发的，无法建立一个图形界面供使用人员直接通 过界面来修改图形，为了解决这个问题，一般都会设置若干个开关来询问技术 人员，例如要求技术人员确定有无调压井，有无分叉管等。如图( 1 - - 6 ) 和( 1 图1 6 有压过术系统示意简图一 图1 7 有压过水系统示意简图二 4 河海大学硕士学位论文水力一机械过渡过程图形化自动建模研究 - - 7 ) 所示，图( 1 - - 7 ) 较之图( 1 - - 6 ) ，增加了一根有压引水管道和一台机组。 但目前大多数软件还存在无法完成由于系统结构进行了修改而需要重新形成数 学模型的情况。设计人员一般的做法是废弃原来的模型，再根据新的管网图来 重新输入参数计算数学模型。正是由于软件的修改性较差的问题，给实际工程 设计带来了诸多的不便，不但增加了设计人员的负担，同时也降低了设计的效 率。 河海大学沈祖诒教授自9 8 年在w i n d o w s 平台下开发了水电站水力一机械 过渡过程仿真计算通用软件，包括了用于装有混流式、轴流转桨式、贯流式、 冲击式水轮机的水电站、抽水蓄能电站和水泵站水力一机械过渡过程仿真计算 的6 个软件，该软件功能强大，具有w i n d o w s 的可视界面，对任何型式的有压 过水系统，用户只需通过人机对话的方式输入数据，即可自动形成正确的数学 模型，实践证明该软件通用性强，对目前国内的各种水电站有压过水系统均能 自动形成数学模型，已有许多设计院和制造厂引进使用。但由于软件是采取人 机对话的方式来自动建模，在过水系统的直观性、对系统的易校对性和易修改 性方面还有待进一步的研究。 1 4 本文的任务 1 在分析水电站水力一机械过渡过程的主要数学模型和常用的计算方法的基 础上，提出软件设计当中具有通用化概念的部件和节点，分析部件和节点的种 类及其数学模型，寻找出形成有压引水系统数学模型的特点和共性。 2 为了解决现有软件所存在的上述问题，提出作者所开发的具有图形界面自 动形成数学模型软件必须具备的通用性强、易校对性、易修改性、界面友好等 特点，为软件设计提供开发方向。 3 根据图形化自动形成有压过水系统数学模型仿真软件的开发要求，对比现 有的程序开发环境、开发平台和开发工具。根据实际需要，提出采用v i s u a lb a s i c 开发本软件的可行性和软件开发技术路线。 4 详细论述图形化自动建模软件的设计方法、软件结构、相关的数据结构、 算法、关键技术的实现及界面制作途径。 5 举出实例，根据软件开发要求，对用图形界面形成的有压过水系统进行修 改，对比通过软件输出数据功能形成的数据结果，验证软件开发的正确性。 第二章过渡过程数学模型及求解 第二章过渡过程数学模型及求解 本章先阐述水力一机械过渡过程计算现有模型中各个部分采用的数学模型 和求解方法，然后在此基础上得出开发自动建模软件的理论基础和对软件的具体 要求。 2 1 计算原理和方法 2 1 1 有压管道瞬变流数学模型 设有压管道如图( 2 1 ) 所示： u21d 圈2 1 有压管道示意图 从流体力学知道，有压管道内非恒定流可以用下列偏微分方程描述： 动量方程 连续方程 式中 在实际计算中 小詈+ 鲥警+ 南a q i q i = o ( 2 _ 1 ) 铲4 2 警+ 鲋詈= o ( 2 - - 2 ) h 一一一一一测压管水头( m ) q 一一一一一流量( m 3 s ) x 一一自上流端开始计算之距离( m ) d 一一管道直径 a 一一管道截面积( m 2 ) a 一一一一一波速( m s ) f 一一一一一摩擦系数 g一一 重力加速度( m s 2 ) 常采用特征线法来求解有压管道瞬变流方程。 6 河海大学硕士学位论文水力一机械过渡过程熙形化自动建模研究 2 1 2 特征线法 有压管道瞬变流偏微分方程组常用的解法有两种：一是根据不考虑损失项的 方程( 2 - - 1 ) 和( 2 - - 2 ) 求出波方程的通解，然后按a l l i e v i 的工作可求出连锁 方程；二是用特征线法求解。本软件主要是根据特征线法解该偏微分方程组，由 ( 2 - - 1 ) 和( 2 - - 2 ) 可得： l=厶+五厶(2-3) 吼尝+ a ：寻0 0 + a 倒百o h + i 1 警+ 矗q i q i = o ( 2 - 4 ) 式中q 和h 均为x 和t 的二元函数，故其全导数可写为： 一d o ：塑+ 塑一d x ( 2 5 ) 出 a t a xd t 盟：型+ 塑一d x ( 2 6 ) 础拼盘出 由( 2 - - 4 ) 和( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 可得： 一d x ：五d 2 ：土( 2 - - 7 ) 珊z 由此：兄：土( 2 8 ) 或：。d x ：d ( 2 9 ) 当妄= 1 2 时，有百d o + i g l 百d h + 南q i q i = 0 ( 2 - - 1 0 ) 当堕：一口时，有 出 一d o 一型塑；上q i q i ；0 d t口d t2 d a ( 2 一1 1 ) t o + t 特征线法原理图如图( 2 2)所示。to 可见，在x t 平面内沿着 李：口和拿：一口两条直0 d td t 线，全微分方程( 2 - - 1 0 ) 和 ( 2 1 1 ) 有效，而霉：口和 图2 2特征线法原理图 第二章过渡过程数学模型及求解 d _ = x = 一口这两条直线就称为特征线。设在t = t o 时刻沿管道的各点状态已知，为了 求出r o + a t 时刻p 点的各个状态，可沿特征线a p ，将微分方程( 2 - - 1 0 ) 进行 积分计算，可得： g 一鼢g 。a ( h p - h a ) + 篆0 , 1 巴1 = o ( 2 川) 同样可沿着特征线b p ，将微分方程( 2 - - 1 1 ) 进行积分计算，可得： 绯一q g 。a ( h p 一也) + 兰a l 竺i a 绋i 绕| - o ( 2 一1 3 ) “ 上述式中摩擦损失项应为由a 点( 或b 点) 至p 点的积分，有： f = r 南q i q l a t ( 2 _ 1 4 ) 亦可近似取为： f 2 南g lql&(2-15) 式中q 一为已知，而q p 为未知，本软件研究的是水电站的过渡过程，摩擦项比较 小，大多数情况下的摩擦损失可取为丢箦0 , 1 g1 - 由( 2 1 2 ) 和( 2 - - 1 3 ) 可得： qp=cpcahe(2-16) qp=c。+c，hp(2-17) 式中e ：g a( 2 1 8 ) c p = 色+ 警峨一丢1 竺3 a 幺i g i ( 2 1 9 ) 口z g = 绕一譬巩一丢等幺i 绋l ( 2 2 0 ) 口z 上坍 管道参数a ，a ，f ，d 为已知，o a ，h a ，h b 也已知，故根据( 2 - - 1 6 ) 和( 2 - - 1 7 ) 容易求出q p 和h p 。 图( 2 - - 3 ) 所示为用特征线法求解有压管道瞬变流的特征网格。横坐标x 为 管道长度，自上游进1 2 1 算起。图示管道分4 段，每段长a x ，有5 个结点。纵坐 标为时间t ，其间隔为，：垒。图中每点用( x ，t ) 表示。已知t o 时刻管道上各 结点的状态，需要求t 0 + t 时刻第1 号结点q 1 ，t 0 + a t 和h l ，t 0 + t 。可利用 方程( 2 - - 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 以及o m 毋，h o t 0 ，o2 d ，h 2 o ，同样可求出t o + a t 8 河海大学硕士学位论文水力一机械过渡过程图形化自动建模研究 时刻第2 和第3 结点的状 态。但对t o + t 时刻0 号结点来说，只有一个方 程( 2 - - 3 5 ) ，故必须建立 边界条件后才能求解。设 0 号结点为上游水库结 点，则可建立边界条件： h o ，f2 h o ，f o t o + 4 t t o + 3 t t 口+ 2 t t o + a t 0 0 也即上游水库水位在瞬 图2 3 特征网格 变流过程中保持不变。同 样对4 号结点，设它为下游水库结点，则有： h 4 j = h4 。h 这样，可求得t o + t 时刻所有结点的状态。依此类推，可求出t 0 + 2 t ，t o - i - 3 t 各结点的状态。 2 1 3 水轮机数学模型 原则上，在分析水力一机械过渡过程时应该使用水轮机动态特性，但由于后 者至今仍无法通过模型实验求得，故目前只能使用水轮机稳态特性来分析，可表 示如下： q 1 l = f ( n a l ，口，妒) ( 2 - - 2 1 ) m i i = f ( r t a l ，d ，妒) ( 2 2 2 ) q = q l ，研虿 ( 2 2 3 ) ms=m11研q(2-24) _ = _ i 属d ( 2 2 5 ) 。= h ，一日i + l ( 2 2 6 ) 式中 q 1 ，m 1 ，啊。 一一水轮机单位流量、单位力矩和 单位转速 o 第二章过渡过程数学模型及求解 q f ，m ，n ，一一水轮机流量、力矩和转速 日，日。一 水轮机水头，机组前节点水压 力和机组后节点水压力 口，舻一一一一一一一一导叶开度和桨叶角度 2 1 4 发电机的数学模型 常用的发电机的数学模型有一阶、二阶、三阶和高阶，它们分别应用于不同 的运行工况。本文要解决的是通过图形界面自动形成有压过水系统的数学模型。 不涉及电气过渡过程和机电相互作用，因此本文对发电机仅作为一个具有惯性的 旋转刚体来研究。其数学模型可表示为： j 堕：m ? 一m ，( 2 - - 2 7 ) 进一步有 化为差分方程有 gd2一dn：m。一肘23747d t 5 ( 2 2 8 ) 。+ 竺坐艺掣刨( 2 - - 2 9 ) 式中j 一一一一一转动惯性，：璺芝 4 9 一一一一一角速度 m 一一一一一水轮机力矩 m 。 一一一一一阻力矩 f一一一一一计算步长 g d 2一一飞轮力矩，包括发电机转子的g d 2 ，水 轮机转轮的g d 2 和水轮机转轮区水体的g d 2 2 1 5 调速器数学模型 本软件主要处理的是带液压随动系统的并联p i d 型调速器，而水力一机械 1 0 河海大学硕士学位论文水力一机械过渡过程图形化自动建模研究 辽粳辽程属十大凝动，凼此必殒考愿调运器非线住凼索，主妥是调运器各外币输 出的限幅特性，特别是主配压阀限幅和主接力器限幅。数学模型如下： e=x一x(2-30) 百d un = n _ 。万d 2 e + k p 生d t + k ，e ( 2 - - 3 1 ) r “= 0( 当 0 ) ( 2 3 2 ) j 。：mc 当。 耽， 。：一，。， 量= “一y ( 2 3 5 ) j = q ( 当lqi 吼) ( 2 3 6 ) 忙屯南( 当h 忙 ( 2 1 7 ) 。去= s ( ：删) 式中l一一接力器时间常数 k d ，k ，k ， 一一比例、微分、积分增益 屯，y 。一一 主配压阀限幅值，主接力器限幅值 2 2 各种节点计算数学模型 如前所述，水力机组过渡过程中的引水系统组成方式比较复杂，能形成不同 形状的复杂管网，而要实现计算机自动建模，就要深入分析复杂管网中各装置数 学模型，然后找出各装置部件数学模型进行计算求解的共性和特点。 2 2 1 上游水库节点 如图( 2 - - 4 ) 所示上游水库节点，可写出c 方程 纬= e + c a 日， ( 2 3 9 ) 第= 章过渡过程数学模型及求解 再根据能量方程可写出h 。和吼的关 系。若在过渡过程中水库水位不变，在 管道进口有一定的局部水头损失系数 f ，则有 h p - 卧e 骘笋( 2 - - 4 0 ) d 图2 4 上游水库节点 2 2 2 下游节点 下游节点与上游水库节点类似，下游即使没有水库，但其河床有一定的蓄水 图2 5 下游水库节点 量，在过渡过程期间，水位变化甚小， 对图( 2 5 ) 所示的节点p 可写出c + 方程： q p = c p c o h p ( 2 4 1 ) 再根据能量方程可写出。和的关 系，且用上一时刻的流量g “代替g 有： 岭吣e 譬笋 ( 2 4 2 ) 2 2 3 串联管道节点 设有如图( 2 6 ) 所示1 号管和2 号管串联的节点，且1 号管与2 号管的特 图2 6 串联管道节点 性不同，对1 号管下游节点可写出 c + 方程： 奶t = c 。l c o l h a l ( 2 4 3 ) 对2 号管上游节点可写出c 。方程： q 2 = g l + e 2 乩2 ( 2 - - 4 4 ) 河海大学硕士学位论文 水力一机械过渡过程图形化自动建模研究 按边界条件，可建立连续方程： q ，= q z = q ( 2 4 5 ) 而断面4 和“：紧靠在一起，故t 时刻流量相同。用上一时刻流量簖“代替q 则按能量方程可建立关系 耻 f 鼍笋 利用( 2 - - 4 5 ) 解方程( 2 - - 4 3 ) 和( 2 - - 4 4 ) ，得 由此 q = e 2 + e 2 珂，= 百c p l - - 百c n 2 ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) 实际应用中，c p ，和e i 用1 号管道参数计算，而e ：和e ：用2 号管道参数计算。 2 2 4 分叉管节点 设有如图( 2 7 ) 所示的分叉管节点，1 号管道分叉为2 号和3 号管道，对 多2 图2 7 分叉管节点 h n = h u l = h h 3 = ho 吐断面可写出c + 方程 q l = c p i c o l h j l ( 2 5 0 ) 对“2 和岣断面可写出c 。方程 q 2 = q 2 + c u 2 风2 ( 2 - - 5 1 ) 包3 = e 3 + q 3 矾3 ( 2 - - 5 2 ) 根据连续方程则有： 蜴。= q ：+ q ， 设分叉管水头损失可忽略，则根据能量 方程有： 将式( 2 5 0 ) 、( 2 5 1 ) 、( 2 5 2 ) 、( 2 5 3 ) 代入到式( 2 5 4 ) 可得 ( 2 5 3 ) ( 2 5 4 ) 第二章过渡过程数学模型及求解 妒鬻( 2 - - 5 5 ) 考虑到工程实际，若有n 根分叉，且总管编号为i ，分叉管编号为2 ，n + l ， c 。- z e ， 则有：h ，= i 产：l 一( 2 - - 5 6 ) e ： 2 2 5 汇合管节点 设有如图( 2 - - 8 ) 所示的汇合管节点，x c d , 和d 2 可写出c + 方程 q l = c p l c 口l i 奶2 = c 。2 一e 2 也2 ( 2 5 6 ) ( 2 5 7 ) 对“，可写出c 方程 q 3 = + 风， ( 2 5 8 ) 连续方程 蜴i + q 2 = q 3 ( 2 - - 5 9 ) 图2 8 汇合管节点 在不计损失时的能量方程 由上列各式可得 巩l = h d 2 = 见3 = h p 日，= 百c p , 丽+ c p 2 + c 3 对由n 根管道汇成的一根管道( n + i 号) ，则有 一e 一+ ， 坼2 苜 ( 2 6 0 ) ( 2 6 1 ) 2 2 6 阀门节点 设有如图( 2 - - 9 ) 所示阀门节点，两侧管道分别为1 号和2 号，对吐可写出 1 4 卜 河海大学硕士学位论文 水力一机械过渡过程图形化自动建模研究 c + 方程 岛1 = c p i e i 岛l 对“2 可写出c 方程q ：= e 2 + e 2 峨： 由于阀门轴向距离较小，因 此可设4 和“：断面的瞬时 流量相同，则有 幺，= q 2 = 轨( 2 - - 6 4 ) 阀门过流量方程为 ( 2 6 2 ) ( 2 6 3 ) 圈2 9 阀门节点 研= k p r p 巧 ( 2 6 5 ) h 。= 也1 一h u 2 ( 2 - - 6 6 ) 式中f ，、k ，、h p 分别为阀门开度、流量系数和阀门上作用水头。联立解方程可 得，当鲁一跏。，妒。时 绯一- - 一瓦k p z p + 当乏一 和顶点v ，v 相关 联。以顶点v 为头的弧的数目称为v 的入度；以v 为尾的弧的数目称尾v 的出度。 用图形化自动建模软件所创建的图符合有向图的特征。可以认为，图的方向 为自上游侧流向下游侧，上游侧节点为弧头结点，下游侧节点为弧尾结点。某节 点的入度就是从上游侧流入该节点的管道总数，节点的出度就是从该节点流出的 管道总数。如图( 4 - - 3 ) 所示，节点3 与节点2 相邻接，它们之间有一根管道，节 河海大学硕士学位论文水力一机械过渡过程图形他自动建模研究 点3 又与节点1 和节点4 邻接，也即节点3 上游侧有三根管道和三个节点；节点2 与 节点1 邻接，也即节点2 上游侧有一根管道和一个节点，下游侧有一根管道和一个 节点。所以，节点3 的入度为2 ，出度为0 ，节点2 的入度为1 ，出度为1 。 图4 3 图的结构 4 2 1 2 图的存储结构 如前所述，水电站有压过水系统图的结构比较复杂，任意两个节点之间都有 可能通过管道联系，因此无法以数据元素在存储区中的物理位置来表示元素之间 的关系。但可以借助数组的数据类型表示元素之间的关系。另一方面，用多重链 表表示图也是一件很方便的事，即以一个由一个数据域和多个指针域组成的节点 表示图中的一个顶点( 也就是节点) ，其中数据域存储该顶点的信息，指针域存 储指向其邻接点的指针。同时，由于图中各个节点的度数各不相同，最大度数和 最小度数可能相差很多，因此若按度数最大的顶点设计节点结构，则会浪费很多 存储单元。反之，若按每个顶点自己的度数设计不同的节点结构，则会给程序设 计带来不便。考虑到对图进行的具体操作，本软件采用邻接表的方法来对图进行 存储和操作。如图( 4 4 ) 所示邻接表，邻接表是图的一种链式存储结构。在邻 接表中，对图中每个顶点建立一个单链表，对有向图而言，第i 个单链表中的节 点表示依附于以顶点v l 为尾的弧( 即管道) 。每个节点由三个域组成，其中邻接 点域指示与顶点v i 邻接的点在图中的位置，链域指示下一条弧的节点：数据域用 于存储和管道相关的参数信息。每个链表上附设一个表头节点。在表头节点中， 除了设有链域指向链表中第一个节点之处，还设有存储顶点v i 的名或其它的有关 信息的数据域。有时，为了便于确定顶点的入度或以顶点v i 为头的弧，可以建立 第四章图形化自动建模软件研究 一个有向图的逆邻接表，即对每个顶点v i 建立一个链接以v i 为头的弧的表。 k ：一 4 2 2 图元结构 图4 4 邻接表图 界面上画出的管道、节点和部件在v b 的p i c t u r e b o x q b 都可以看成是一个个独 立的图元( 图形元素) 。因此图元结构可以定义如下： p u b l i ct y p eu p i c t u r e e l e m e n t x la s s i n g l e ，起点和终点坐标 l i n e k i n da s i n t e g e r 线形 k i n da s i n t e g e r 图形类别 c a p t i o n a s s t r i n g + 2 0 标题 l e v e la s i n t e g e r 该图元的层数 l f l a g a s i n t e g e r 管道型图元标志 r f l a g a si n t e g e r 部件型图元标志 f i l l c i r c l e f l a g a si n t e g e r 节点型图元标志 e n d t y p e 1 部件类 u e l e m e n t k i n d = l 4 l 河海大学硕士学位论文 水力一机械过渡过程图形化自动建模研究 2 节点类 u e l e m e n t 鼬n d = 2 3 管道类 u e l e m e n t k i n d = 3 g l o b a lu e l e m e n ta su p i c m r e e l e m e n t p u b l i cs e l e c t o n ea su p i c t u r e e l e m e n t 4 3 软件算法 定义一个图元 定义一个被选择的图元 4 3 1 算法的定义 广义地说，为解决一个问题而采取的方法和步骤，称为算法。算法应该是用 某种语言的描述的指令的序列，其中每一条指令表示一个或多个操作。算法具有 下列五个重要特征： ( 1 ) 有穷性 一个算法必须总是( 对任何合法的输入值) 在执行有穷步之后结束，且每一 步可在有穷时间内完成。 ( 2 ) 确定性 算法中每一条指令必须有确切的含义，读者理解时不会产生二义性。并且， 在任何条件下，算法只有唯一的条执行路径，即对于相同的输入只能得出相同 的输出。 ( 3 ) 可行性 一个算法是能行的，即算法中描述的操作都是可以通过已经实现的基本运算 执行有限次来实现的。 ( 4 ) 输入 一个算法有零个或多个输入，这些输入取自于特定的对象的集合。 ( 5 ) 输出 一个算法有一个或多个的输出，这些输出是同输入有某种特定关系的量。 计算机算法可分为两大类：数值运算算法和非数值运算算法。数值运算的目 的是求数值解。非数值运算包括的面十分广泛，种类繁多，要求各异，一般没有 现成的成熟算法可以选用。本软件开发过程中主要用到的算法属于后者。 第四章 图形化自动建模软件研究 4 3 2 算法描述 4 3 2 1 邻接表算法 本软件中对邻接表的算法主要为以下几种： 1 定义邻接表头节点算法：v e x n o d e p u b l i ct y p ev e x n o d e a d o p t e d a s b o o l e a n该数组元素是否用来存储图形的顶点 x o f p o s t a si n t e g e r与顶点有关的信息 k i n d s a s i n t e g e r 邻接表中元素的类型 m o s t a s i n t e g e r 该顶点的邻接表已用长度 i n m o s t a s i n t e g e r 该顶点的逆邻接表己用长度 f i r s ta s i n t e g e r ，邻接表首接点或逆邻接表首接点在邻接表栈或逆 邻接表栈中的位置 l a s t a si n t e g e r邻接表末节点在邻接表栈中的位置 i n l a s t a si n t e g e r逆邻接表末节点在逆邻接表栈中的位置 s d c la s s i n g l e 明流洞参数 s l j z ja ss i n g l e t g 轮机组参数 e n d t y p e 2 定义邻接表节点算法：l i s t n o d e p u b l i ct y p el i s t n o d e a d j v e x a si n t e g e r 邻接点域；邻接点在邻接表的表头数组中的编号 o r d e r a s i n t e g e r 该邻接点在其前置接点的邻接表中的编号 x o f b e g l n a ss i n g l e ，表头接点与邻接点之间的边的信息；包括起点坐标， 终点坐标，直径等 d i a m e t e ra s s i n g l e ，管道相关参数 河海大学硕士学位论文 水力一机械过渡过程图形化自动建模研究 e n d t y p e 3 定义逆邻接表节点算法：i n n o d e p u b l i ct y p ei n n o d e逆邻接表接点 i n v e xa si n t e g e r i n o r d e ra s i n t e g e r e n d t y p e 逆邻接点域；逆邻接点在( 逆) 邻接表的表头数组中的 编号 该逆邻接点在其后置接点的逆邻接表中的编号 4 定义邻接表栈，用于存放各邻接表 p u b l i c a d j l i s t s t a c k ( m i n n u m o t l i s t + a d j l i s t l e n t o m a x n u m o f l i s t + a d j l i s t l e n ) a s l i s t n o d e 5 定义逆邻接表栈，用于存放各逆邻接表 p u b l i cl n a d j l i s t s t a c k ( m i n n u m o f l i s t + a d j l i s t l e nt om a x n u m o f l i s t + a d j l i s t l e n ) a si n n o d e 6 定义邻接表、逆邻接表的表头数f 1 g r a p h 为v e x n o d e 类型 p u b l i cg r a p h ( m i n n u m o f l i s tt om a x n u m o t l i s t ) a sv e x n o d e 4 4 关键技术实现 4 4 1 初始化 软件开始运行时应做一些初始化的工作。由于本软件是由用户操作的界面部 分和后台自动运行的存储结构算法两部分组成，它们之间相互关联，因此初始化 也分为两部分： 1 图的存储结构初始化 图的存储结构初始化主要是对邻接表的操作，主要算法如下： 被使用到的最小和最大的顶点编号，邻接表编号 p u b l i cm i n a s i n t e g e r使用到的最小的顶点编号( 邻接表编号) p u b l i cm a xa s i n t e g e r 使用到的最大的顶点编号( 邻接表编号) p u b l i cc o n s tm i n n u m o f l i s t = 5 0 0 0邻接表的表头数组可用最小编号 p u b l i cc o n s tm a x n u m o t l i s t = 5 0 0 0鹏b 接表的表头数组可用最大编号 第四章图形化自动建模软件研究 s u bi n i t i a l i z e a d j l i s t o初始化邻接表 f o ri = m i n n u m o f l i s tt om a x n u m o f l i s t g r a p h ( i ) k i n d s = - l ，初始化时没有图元类型 g r a p h ( i ) a d o p t e d = f a l s e g r a p i h ( i ) m o s t 2 0 g r a p h ( i ) i n m o s t 2 0 g r a p h ( i ) f i r s t = i + a d j l i s t l e n g r a p h ( i ) 1 a s t = g r a p h ( i ) f i r s t 一1 g r a p h ( i ) i n l a s t ；g r a p h ( i ) f i