有压瞬变流及有压瞬变流系统

1、有压瞬变流及有压瞬变流系统    2012-03-07     论文导读:有压瞬变流常指有压管路中流体的非恒定流动。当系统中的水力元件或设备的运行操作改变时，管路中原有的恒定流条件就发生变化，形成有压瞬变流。引起瞬变流的原因很多，例如:阀门开度的改变、水泵起动或停机、水轮发电机组的负荷改变、水库水位变化、液体汽化.    有压瞬变流常指有压管路中流体的非恒定流动。当系统中的水力元件或设备的运行操作改变时，管路中原有的恒定流条件就发生变化，形成有压瞬变流。引起瞬变流的原因很多，

2、例如:阀门开度的改变、水泵起动或停机、水轮发电机组的负荷改变、水库水位变化、液体汽化、转轮或导叶的振动、管道的运动等。一般来说，有压瞬变流系统由若干管道和若干水力元件(Hydraulicele二组成。有压瞬变流系统往往是比较复杂的，其复杂性表现在两个方面系统的几何参数复杂，系统中常含有不止一根管道，并且管道之间还有串联、并联以及分岔联接等不同的连接方式，常以管网的形式存在。这里所指的管道是以分布参数来描述的，即管内的流体参数一摩擦损失、流体惯性、管道弹性和流体的可压缩性等一都是沿管线分布的。可以用集中参数来描述的管道则视为系统的水力元件，如阻抗式调压室的竖管等集中惯性元件和短盲管、短软管等集中

3、容积元件。系统的水力元件的特性比较复杂。水力元件可有不同的分类方法。按照水力第一章绪论元件可控性能，可分为不可控水力元件和可控水力元件。具有操作调节机构的水力元件称为可控水力元件，如缓闭阀、减压阀、调压阀、控制水轮机导叶关闭规律的调速器、电动或液压启闭闸门、可调速或调角水泵机组等。不可控水力元件主要指瞬变流防护装置，如开敞式调压室、水锤消除器、空气室、安全阀等，也包括不可调速调角的水泵机组、水库、管道的盲端、固定管嘴等。按照水力元件所处的位置，可分为终端水力元件和中间水力元件。所谓终端是指流体所经路径的起点或终点。按照表达水力元件测压管水位H和流量Q之间的关系式性质，可分为动力型和非动力型水力

4、元件。关系式为代数式的为非动力型水力元件，包括给定H、Q之一的代数式的元件，如水位可认为不变的水库、流量可用代数式表达的往复泵等;也包括给定H、Q之间的代数式的元件，如定转速运行的离心泵、固定孔口等;还包括给定H、及其它辅助变量之间的代数式的元件，如可调节阀门(辅助变量为阀门开度)、启动运行中的离心泵“辅助变量为相对于颤定转速的转速比)等关系式中包括微分方程的为动力型水力元件，如集中惯性元件、集中容积元件、空气室、气垫式调压室、阻抗式调压室、进气阀、排气阀、逆止阀、缓闭阀等，这些元件引人的关系式是有关H或Q的微分方程。而对于水力机械这一类动力型水力元件，如水泵、水轮机、水泵水轮机等，在研究其水

5、力过渡过程时还需引人转速n的微分方程，再结合水力机械的特性来确定该水力元件在过渡过程中的动力学行为。方程组(1一1)和相应的初始条件、边界条件构成了数学上的适定问题。常采用特征线法求解，即由两个特征线相容方程求解管道内点的H、Q，管端的H、Q则由边界条件(即水力元件特性关系式或管路连接情况决定的关系式)与特征线相容方程联立求解。对于不止一条管道的系统，对其中每一根管道根据管端连接情况和水力元件特性均可列出相应的方程，当管端为动力型水力元件时，求解管端的H、Q时河海大学博士学位论文较复杂，常常需要联立方程迭代求解。求解适定问题，得到因变量H(x，t)、，t)在空间的分布和随时间演化的规律，实现对

6、因变量H(x，七)、Q(x，的预测，称为有压瞬变流正问题。要使正问题可解，则要求系统水力元件的组成布置和管路的连接方式均是确定的，控制方程中各项的形式及其系数必须是确定的，初始条件是确定的，边界条件即系统水力元件特性(包括可控元件的调节规律)也是确定的。也就是说对于组成和布置确定的系统，从初始状态开始，根据控制方程和边界条件，可推求下一时刻的系统状态。该过程可一直进行下去，直到获得了在某一时段内系统过渡过程中的全部信息为止。如果将有压瞬变流正问题的某种必须已知的确定因素变为未知的待求解的变量，而将正问题的求解目标(未知的因变量和的一部分或全部作为已知的必须满足的条件，就构成了某类反问题。需要指

7、出的是，为了保证反问题解的存在性，往往还需要附加与正问题求解目标有关的某些信息，称之为附加条件。以上是在时间域讨论的。有压瞬变流中的水力振动问题通常在频率域中讨论。与时间域中的定义类似，已知系统的组成和布置，进行系统自由振动和强迫振动分析是求解正间题。如果事先设定系统的自振频率特性或复频特性，反求系统组成或布置(如确定管道的长度、理想的元件特性等)，则是求解反问题。目前，对于由偏微分方程控制的系统中的反问题，不同的研究者从不同的角度提出了不同的分类方法。文献月从工程水力学的角度将由偏微分方程控制的系统中的反问题分为参数控制、源项控制、边界条件控制、初始条件控制和形状控制反问题;文献则从工程的角

8、度将反问题分为综合、控制及识别等几类;而文献6则将数学物理方程中的偏微分方程反问题分为算子识别问题、逆时间过程问题、边界控制问题和几何反问题。虽然有压瞬变流系统的控制方程也是偏微分方程，但有其自身的特点。尽管有压瞬变流系统千差万别，简单的系统如水库一管道一阀门系统，复杂的系统可以包括成百上千个管道和水力元件，但是为了使得不同的系统在瞬变过程中都能安全可靠灵活地运行，可以比较明确地确定几类控制目标和要求，这些目标和要求正是求解反问题的目的所在。本论文根据求解目的的不同对有压瞬变流反问题进行分类。控制系统瞬变流以避免过高(或过低)的水击压力给系统带来危害是研究有压瞬变流的重要目的。求解限压控制反问题以控制水击幅值为其目的，它可描述为在某一系统中给定水击压力允许幅值，反求能够有效控制瞬变流的参变量如水击波速、初始流速、可控元件的调节规律、水力元件参数等。第一章绪论限压控制反问题根据是否满足调节终了时刻系统即处于新的恒定流动状态的条件而具有两种不同的提法，又可以分为两小类。如果限压控制反问题仅有“限压”要求，则称之为限压控制反问题一:如果除“限压”要求外，还有“调节终了时刻系统即恒定”要求，则称之为限压控制反问题二。例如:文献结合核工业中流体输送系统的特点，研究了给定水击允许幅值反求水击波速或流速初值的两个