HAMMER水锤分析软件及其数值模拟结果的验证

1、HAMMER水锤分析软件及其数值模拟结果的验证海思德(Hacsrad)公司创立于1979年，其全球总部位于美国康涅秋克州的Watertown市*经过将近30年的努力*已成为美国目前从爭水资源与给排水工程专业软件开发研究的餵大专业团队。它已经拥130000个用户.遍布17()个国亂用户既有人型自来水公司和政府机构，也有小型的市政再询公司。19S5年”海思德H磧或就)公司中全球领矩的工程技术和产品进入中国后，深受广大中国用户称赞，业务迅猛发展.多年来，海思德公司一直致力于管网模型技术的研究，目前拥有模型构造、水量分配、管网智能简化、达尔文优化设计和达尔文模型误差校正等赛项独创技术，洋且所有海思德产

2、品非常筒便、拥有高技术倉最的图形接【丨、强文的计算引撃、高级的可视化第果表达工具.井且和AutoCAD和訂占系统无缝集成等共同特点。这些先进技术能够帮助用户快速且准确地建立管网模型。圏3.1为HAMMER软件的启动界面。昌BentleyBentleyHAMMERV8?SELECTsetisi1图3.1HAMMER软件启勒界面Fig3.1ThestartinginLerfacecfHAMMERsoftware海思德公司拥有WatcrGEMS.HAMMERWa忆rCAD等供水管网模型软件。其中HAMMER软件是一个研究市政供水、排水、工业给水排水系统中水力瞬变过程(水锤)的计算棋拟软件。由海恩德公

3、司于19汩年推出2侃年该软件引入中国，目前国内已有上海市政设计院、北京市市政工程总院、中国市政华北设计研究院、北京自来水集团有限贵任公司、重庆市自来水总公司等人型设计院与水务集团等用户购买HAMMER产品并将其用于实际工程。HAMMER适用于各种输配水管道系统的水锤分析，包括长距离输水管道、城市市政配水管网、多级泵站系统、调速泵系统、厂区管网、人流量工业水系统及水电站涡轮机发电机组及管路的水锤分析。HAMMER软件的优势基于严密的水力瞬态计算法则一特征线法（MOC）HAMMER软件基于特征线法（MOC）求解非稳态条件下的连续性及动量方程，并集成了用于计算气穴的形成并追踪其变化和消失的复杂算法，

4、其强人的计算引擎可以进行刚性振荡理论和弹性理论的无缝转换，因而能准确模拟水锤过程。特征线法沿着管线划分若干计算步长进行计算，精确获取各点压力流量的瞬态变化情况，无疑是最严密的水力瞬态分析计算法则，而基于设计波方法的计算准则（如波特征法）仅有节点计算结果，虽然能人人减少计算量，但该方法忽略了管线中间点的计算结果，因而却降低了计算结果的准确性，比如水锤时系统高压点并不总是在系统节点处、局部高点或是最低点出现。具有多种水力组件模型HAMMER中内含实际供水系统中如水池、泵、阀门、管线、节点等所有水力组件模型。除此之外，软件中还包括如空气阀、安全阀、止回阀、空气罐、调压塔等水锤防护设备模型，HAMME

5、R开放的界面还允许用户自定义水力组件。通过HAMMER,可以精确模拟多种水锤防护设备的防护效果。包含较全面的水锤防护控制程序HAMMER包含最全面的水锤防护控制程序。用户在使用过程中能方便进行形态参数的设置，如时间步长的选择，既可以自己定义时间步长，又可根据内置的波速调整法或管长调整法自动选择时间步长，而且用户可从2（）多种设备中选择并执行无限数量的执行方案，丙而能方便进行多种水锤工况的计算。水锤防护控制包括改变管线走向，增加水泵转动惯量，阀门运行调控，防护设备设置位置及注意事项等策略。模型构建和管理方便借助HAMMER,可以使用操作简便的拖放布局工具从头开始构建管网，或与EPANETxWat

6、crCADxWatcrGEMS及其它水力模型无缝集成，从而避免耗时的模型构建过程；FlcxTablcs参数完全可以自定义，能加快数据输入过程并且检索结果，可以实现数据的过滤、排序和全局编辑；此外，HAMMER还包括用于流体、材料、水泵、涡轮和阀门的个性化工程库。计算结果表现形式丰富HAMMER软件计算结果表现形式丰富，不仅可以反映整个管线各点最人、最小压力、最人真空体积或最人空气体积，而且还可以跟踪各点压力、流量、气体体枳逐时变化情况。HAMMER软件可以解决的问题HAMME软件为用户提供了基于精确数值解的水力计算引擎和简单易用的用户界面与接II,能够有效地识别，管理和减轻供水管网瞬态变化的有

7、关风险。使用HAMMER能帮助我们解决如下问题：帮助我们了解水锤的产生机理，并且了解如何合理设置保护设备、设施，提供合理的水锤控制策略，避免管线和设备损坏，减少供水系统运营和维护成本;模拟多种瞬态工况，精确估计瞬态工况下管线的压力，对设计的瞬变情况进行校核，提供合理的设计方案；防止供水管网系统事故断电等情况下给基础设施带来的损坏等突发故障，尽量避免供水设施的服务中断。HAMMER软件的建模功能数据导入HAMMER有很完善的管网图形输入工具，用户可以对模型拓扑结构如节点、管线、阀门、水泵等组件属性进行编辑操作。用户可以使用简单的拖曳排列工具直接建立管网，可以直接识别AutoCAD的图形来自动建立

8、水力模型，也可以与EPANETxWatcrCAD.WatcrGEMS以及其它管网水力模型进行无缝隙的接II连接。数据管理HAMMER水锤计算分析软件对供水管网数据进行开放型数据库的模式管理，用户在现有信息平台的基础上，可以容易与模型进行数据交换与管理。通过FlcxTablcs用户可以可快速浏览各项管网参数并且很容易地成组输入数据，可完全按用户要求修改图表或者创建一份图表，如可选择显示变量，变量的名称，甚至变量的单位和显示精度。也可执行咨询功能和其它操作，如将图表过滤而只留下符合某种标准的数据；通过拓扑关系管理，用户可以在一个项目中建立多个拓扑关系，并在计算时任意切换；通过子模型管理用户可以将几

9、个独立的管网子模型合并为一个完整的管网模型。模型简化HAMMER能够对管网模型进行自动简化，可以自动简化管网中的枝状管、串联管和并联管道。其简化方式可进行人工控制，系统可以自动以优化的方式或按设置的简化条件简化枝状管，如仅对DN30()以卜的管线进行简化等。自动保持简化过程中管段、节点属性的正确性。可保证简化后模型的计算结果与原模型相一致。自动划分节点服务区域系统能够自动根据管网中节点位置情况划分出每个节点的供水服务范I韦I。该服务范I韦I可用来确定节点所包括的用户水表数据和计算节点流量等。节点流量的计算可用节点流量分配器(LoadBuildcr)来实现，它可以根据用户的水表信息进行用水量分配

10、，也可以根据区域面积和人II密度进行用水量分配。静态与多时段EPS平差计算管网平差计算分为静态分析和连续多时段分析两种形式。静态分析是指管网系统在某种特定条件下的运行模拟，这种特定条件是某种确定的用水量、阀门调度方案、水库水位、水泵运行方案等。多时段分析是指模拟供水系统连续运行时的状态变化情况，通过设定不同时段的节点流量变化曲线和水泵运行方案，就可以计算出每个时段供水系统运行状况、了解期卩1J水池的水位变化及整个运行区f1J的实际能量损耗等。瞬态计算必须以静态与多时段EPS平差计算结果为基础。HAMMER用户可以选择使用内置稳态引擎来自动计算初始条件或输入稳态数据。不过，如果有WatcrCAD

11、或WatcrGEMS,可以选择WatcrCAD或WatcrGEMS的计算模型作为HAMMER模型的初始稳态条件。3.2HAMMER软件建模技术路线水锤计算模型拓扑结构主要由水库或水池、阀门、止回阀、末端调节阀、管线和节点等组件组成，如图3.2所示。水锤计算模型的建立须以各组件的的基础数据为基础。图3.2水锤计算拓扑结构简图Fig3.2Topologydiagramofwaterhammercalculations3.2.1建模数据来源水锤计算模型的数据按照来源可以分为以下几种,721：档案数据：主要是管网拓扑结构组成要素的属性数据，一般来源于设计竣工图纸，GIS数据等，対于水锤计算模型，最好能

12、有详细的管线平面和纵面CAD图及泵站CAD图；实测数据：由于年代久远、档案数据不完善、有些数据无法直接获得或者数据错误，需要进行现场勘测，如用户用水量变化曲线等；运行与监测数据：可以通过SCADA系统获取监测点的水量、压力泵的启停状态等数据；派生数据：对原始数据经过二次加工处理所得到的数据，例如用数学方法预测的用水量变化数据等。3.2.2建模数据属性水锤计算分析所需的数据清单如下：水泵参数水泵参数包括：水泵形式、台数,者混流泵：水泵额定流量，最人流量,人扬程；水泵转速、电机功率，效率,动惯量；水泵吸水管、出水管的内径、是否为变频泵，是否为离心泵，轴流泵或最小流量：水泵额定扬程，最小扬程，最水泵

13、位置高程；水泵、电机及泵机组的转管材、管长、壁厚；止回阀类型，阻力系数，高程，阀门关闭规律。管段参数管段参数包括：管材、粗糙系数或海曾一威廉系数、管内径、壁厚、管长、耐压等级。节点参数节点参数包括：节点高程、节点流量。边界条件边界条件包括：吸水池最高、最低水位，正常水位，吸水管内径、壁厚、长度、管材、海曾威廉系数；如果出水管末端是水池，则需水池尺寸或容枳，最高、最低水位及正常水位，出流形式，池前有无调节阀等；如果出水管不是水池，则需知道末端最人、最小、正常流量和水头，以及出水端与下游的连接方式；水锤防护设备参数，如空气阀在特定压力卞的进排气量、单双向调压塔尺寸和设置位置、空气罐罐内初始容积和压

14、力等。323水锤计算模型建立流程水锤计算分析步骤如图3.3所示。首先对建模数据进行收集，最好能有泵站和管线的平面及纵面CAD图，通过数据收集、分析、整理，如流体的蒸汽压，水泵机组的转动惯量等，并且対模型简化处理后建立水锤计算模型；其次对计算模型的稳态工况进行分析，以稳态工况的计算结杲作为瞬变计算的初始条件，同时，对各种瞬变工况进行计算，求解的水锤计算结果也可以作为系统稳态工况的校核，如事故停泵，消防用水等瞬变工况；最后，计算结果的输出可为水锤分析及系统优化提供依据。泵站和管线的平面CAD图、纵而CAD图数据的收集、分析与整理模型简化处理图3.3水锤计算模型建立步骤Fig3.3Theestabl

15、ishedstepsofwaterhammercalculationmodel3.3水锤中试装置数值模拟结果的验证由于实验条件的限制，中试系统水锤计算模型建立后，仅对停泵水锤时设置一级止回阀、设宣二级止回阀、设置空气罐、泉前节点出流四种工况进行数值模拟，并对四种工况进行实验研究，以对HAMMER软件数值模拟结果进行验证。3.3.1基于HAMMER软件水锤计算模型的建立中试装置水锤中试实验装置如图3.4所示所示。中试实验在重庆某水厂进行，整个实验装置由焊接钢管、不锈钢水箱、蝶阀、止回阀、水泵组成。系统静扬程为12.47m,管路由DN100的焊接钢管组成，管长为93.5m；水泵型号为Rsg65-2

16、00漩量30m3/h,额定扬程52m,额定转速2900rpm额定功率7.5Kw。DM00接水厂出水管DN1001不锈钢水箱：2DN100手动蝶阀：3DN10()电动蝶阀：4DN50手动蝶阀：5DN5O空气阀:6压力传感器：7真空压力衣：8止回阀：9离尤泵图3.4实验装置示意图Fig3.4Experimentaldeviceschemes水锤模型构建中试系统装置可等效成由水箱、水泵、管段、节点等水力组件组成。将各水力组件的基本信息，如水箱水位、水泵流量、扬程、转动惯量、节点、管段(见表3.1)等基础信息输入水锤计算模型，通过计算可以得出稳态时结果，在此基础上可对停泵水锤时设置二级止回阀、设置空气

17、罐、泵前节点出流四种工况进行分析。管段上游水下游水编号力组件力组件P-1R-IPMP-1P-2PMP-1J-2P-3J-2J-3P-4J-3J-4P-5J-4J-5P-6J-5J-6P-7J-6J-7P-8J-7R-2管材管管管管管管管管一,r一yy一,r-钟卸卸卸卸卸卸钾衣3.1水力组件基础唁息Table3.lBasicinformationofhydrauliccomponents管径管长节点编节点流量节点高程(mm)(m)号(L/s)(m)()()()()()()()()()()()()()()06200.&2.9oL.()710.51.068.769774440.2.3.3注：经软件水

18、锤波速器计算,波速为1316.90m/s3.3.2实验设备及实验方法主要实验设备与仪器主要试验设备及仪器如下表3.2所示。流量、压力数据的采集：由安恒公司的生产的Lolog450压力记录仪与插入式流量计采集，压力记录仪数据采集频率为1次/I秒，插入式流量计数据采集频率为1次/分；流量、压力数据的读取：由安恒公司开发的与Lolog450压力记录仪、插入式流量计配套的Hydrin软件完成。通过Hydrin软件对压力记录仪初始记录完成后，在泵附近止回阀前设置压力传感器。衣3.2主妥实验设备及仪器Table3.2Maintestequipmentandinstruments序号设备名称没备规格单位数量

19、1水泵Rsg65-200台12止回阀DNIOO台23压力记录仪Lolog450个34插入式流量计Hydrin2700mm个15空气罐个15秒农个16塑料桶个1实验方法本实验为断电停泵时发生水锤的现场中试实验，依次进行一级止回阀与二级止回阀实验、空气罐实验、泵前节点分流实验。1)一级止回阀与二级止回阀实验水泵正常运行的频率为4()Hz,运行一段时间后，观察断电停泵后的测压点的压力变化。分别对一级止回阀(开启旁通管上的阀门，关闭二级1上回阀附近的上游阀门)与二级止回阀(关闭旁通管上的阀门，开启二级止回阀附近的上游阀门)时工况进行实验。实验装置整体效果如图3.5所示。(a)级止回阀(b)二级止回阀图

20、3.5级止回阀与二级止回阀实验Fig3.5Single-stagecheckandtwo-levelcheckvalvesexperiments2)空气罐实验在一级止回的基础上，将空气罐设置在卜游水箱附近处，对其进行水锤实验:开启旁通管上的阀门，关闭二级止回阀附近的上游阀门，然后开启空气罐处的阀门。空气罐容积为60L,初始压力为0.4MPao泵正常运行时频率为4()Hz,正常运行后突然断电停泵。空气罐实验装置如图3.6所示。图3.6空气罐实验Fig3.6Airvesselexperiments泵前节点分流实验在一级止回阀（开启二级止回阀旁通管处阀门，关闭二级止回阀上游阀门）进行泵前出流实验，以

21、比较不同岀流量的水锤防护效果。节点流量计量采用计量堰测量法，出流量用DN25的不锈钢管，出流量人小用闸阀來调节，出流量用塑料桶来计量，时间用秒表来计量。(3.1)塑料桶桶顶直径为29.3cm，桶底直径为23.8cm，桶高30cmV=牛久/心+才+少）得出容积为16.3L。在泵出II止回阀前安装压力传感器测量瞬时斥力，并且在水泵出II3m处安装插入式流量计测量瞬时流量和压力。图3.7泵前节点分流实验Fig3.7Outflowexperimentsofnodebeforethepump3.3.3数值计算结果与实验比较分析当设置单级止回阀、二级止回阀、空气罐（位置在上游水箱附近）、泵前节点分流时，泵附近止回阀前压力的实验值与计算值分别如下图3.8(a),(b),(c).(d)所示。752075207222211112220171520-2207.1n20106080100120140160180200时间/s(C)设置空