一种复杂有无压混连水力系统的稳态预测方法技术方案

本发明专利技术提供了一种复杂有无压混连水力系统的稳态预测方法，将引输水系统的主要输水结构分为有压结构和无压结构；将无压段当量化为有压段，巧妙地避过了直接求解无压段稳态条件在数学上的困难，该方法可大大简化引输水系统稳态数值模拟的复杂程度，使数值仿真复杂有无压混连水力系统成为可能。本发明专利技术将无压段当量化为有压段，再利用矩阵结构法求解，这种计算方式迭代稳定性较好，计算精度较高。同时，对引输水系统有无压混连布置形式的变化适应能力强，可大大提高后期复杂引输水工程数值仿真的适用性。适用性。适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂有无压混连水力系统的稳态预测方法


[0001]本专利技术涉及一种水力过渡过程数值仿真计算方法，特别是涉及一种复杂有无压混连水力系统的稳态预测方法，适用于水利水电工程。

技术介绍

[0002]引水工程按照其输水管线的压力状态，可分为有压式引水、无压式引水和有无压相结合式引水。当水力系统内部各空间点的流动参数(压强、密度、速度等)不随时间变化而发生变化，可以认定此时的水力系统处于稳定状态，简称稳态。
[0003]目前，在加压输水工程和水电站引水工程中，大多采用有压系统的结构方式布置，对于有压系统的过渡过程计算方法，目前已经发展较为成熟，如特征线法、结构矩阵法等，经大量的实际工程检验，已验证其计算精度较高，能够满足工程的需要。但由于明渠结构简单、造价较低，有利于缓解引输水系统中的水锤压力，明渠和有压管道任意连接的结构方式正在不断变多。对于这类复杂有无压混连水力系统，其过渡过程数值仿真模拟的难度较大。
[0004]目前绝大多数计算软件对含明渠段的引水工程进行计算时，需要有一个确定的明渠进水端水位或者出口端固定水位作为循环计算的起始点，通常表现为计算软件要求明渠直接与上水库或者下水库相连，对于明渠布置在引水工程中的任意一处位置时则显得力不从心。原因在于，不同于有压管道的水头损失是过流流量的显函数，明渠流的水头损失是过流流量和水深的隐函数，其中水深又是过流水头损失的函数，因此在求解有压系统中有效的方法在求解明渠流稳态条件时并不适用。
[0005]基于上述原因，相较于有压系统的数值仿真，复杂有无压混连水力系统数值仿真的研究进展较为缓慢，难以适应目前工程设计的需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是克服现有方法中，复杂有无压混连水力系统的稳态条件求解困难，精度不高的问题，提出一种复杂有无压混连水力系统的稳态预测方法，能够对不同布置形式的复杂引输水系统进行稳态仿真预测，且计算精度较高、迭代较为快速。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种复杂有无压混连水力系统的稳态预测方法，其特征在于包括以下步骤：
[0009]步骤(1)，将引输水系统的主要输水结构分为有压结构和无压结构；
[0010]步骤(2)，将无压结构分段，并假设无压结构末端断面的水位和流量为其对应的设计水位和设计流量；
[0011]步骤(3)，以无压结构末端断面的水位和流量为计算起始点，递推无压结构各断面的水位和流量；
[0012]步骤(4)，以无压段和当量化后有压段的平均过水断面和总水头损失相等为约束条件，将无压段当量化为有压段；
[0013]步骤(5)，建立整个有压引输水系统下的结构矩阵方程，求解当量化后压力管道末
端的水力要素；
[0014]步骤(6)，将压力管道末端的水力要素换算为原无压段末端断面的水位和流量；
[0015]步骤(7)，对比最后一次迭代所得末端断面的水位和流量与上一次迭代所得末端断面的水位和流量，若满足精度要求，进入下一步骤；若不满足精度要求，将最后一次迭代所得末端断面水位和流量作为已知值，返回步骤(3)；
[0016]步骤(8)，对于无压段，以最后一次迭代所得末端断面的水位和流量递推至首端断面，作为无压段各断面的稳定状态。对于有压段，以最后一次迭代所得的水位和流量作为各水力节点的稳定状态。
[0017]具体的，所述步骤(1)中无压结构具体指流体在运动过程中与大气有直接接触的结构，有压结构具体指流体在运动过程中与大气无直接接触的结构。
[0018]具体的，所述步骤(2)中可以将无压段分为M段，分段节点可标记为1,2,
···
，m+1。同时，无压段第m+1节点所在断面对应的水位假设为设计水位，对应的流量假设为设计流量，公式如下所示：
[0019]Z
m+1
(k)＝Z
m+1，P
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0020]Q
i
(k)＝Q
m+1,p i＝1,2,3,
…
,m+1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0021]式中：k为迭代次数；Z
m+1，P
为第m+1节点所在断面对应的设计水位；Z
m+1
(k)为第m+1节点所在断面在第k次迭代所得的水位；Q
m+1，P
为第m+1节点所在断面对应的设计流量；Q
i
(k)为第i节点所在断面在第k次迭代所得的流量；由于是在稳态条件下，无压段各断面的流量均处处相等。
[0022]具体的，所述步骤(3)中递推无压结构各断面的水位和流量，指的是将无压段第m+1节点所在断面为计算起点，利用能量守恒方程，以第m+1节点所在断面的水力元素为已知量，推算至第m节点所在断面，再从第m节点所在断面推算至第m
‑
1节点，以此类推，可以一直推算至无压段进口断面，即第1个节点所在断面。递推公式如下所示：
[0023][0024]式中：Z
i
(k)为第i节点所在断面在第k次迭代所得的水位；B
i
为第i节点所在断面的平均横截面宽度；Z
i，d
为第i节点所在断面的底端高程；ζ
i
为第i节点所在断面的水头损失系数。该递推方程在等式右边含有未知数Z
i
(k)，可通过迭代计算得到其数值解。
[0025]具体的，所述步骤(4)中将无压段当量化为有压段，是指将无压段所有断面的平均断面代替为有压结构的等效断面，并且令两者的总水头损失相等。将这两个条件作为约束条件，将所有的无压结构都当量化为其对应的有压结构。推算公式如下：
[0026][0027][0028]式中：λ为沿程水头损失系数。利用该公式可以在第k次迭代中将无压段当量化成面积A
eq
(k)，长度为L
eq
(k)的有压管道。
[0029]具体的，所述步骤(5)中有压引输水系统下的结构矩阵方程，矩阵方程如下所示：
[0030][0031]式中：[A]为整个引输水系统的总矩阵；为整个引输水系统的压力水头向量；为整个引输水系统的流量向量。值得注意，在矩阵结构法求解时，便已经完成了对当量化后有压管道的一次迭代计算。
[0032]具体的，所述步骤(6)中将压力管道末端的水力要素换算为无压段末端断面的水位和流量，换算公式如下：
[0033]Z
m+1
(k+1)＝h
m+1
(k+1)+Z
m+1，d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0034]Q
m+1
(k+1)＝q
m+1
(k+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂有无压混连水力系统的稳态预测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤(1)，将引输水系统的主要输水结构分为有压结构和无压结构；步骤(2)，将无压结构分段，并假设无压结构末端断面的水位和流量为其对应的设计水位和设计流量；步骤(3)，以无压结构末端断面的水位和流量为计算起始点，递推无压结构各断面的水位和流量；步骤(4)，以无压段和当量化后有压段的平均过水断面和总水头损失相等为约束条件，将无压段当量化为有压段；步骤(5)，建立整个有压引输水系统下的结构矩阵方程，求解当量化后压力管道末端的水力要素；步骤(6)，将压力管道末端的水力要素换算为原无压段末端断面的水位和流量；步骤(7)，对比最后一次迭代所得末端断面的水位和流量与上一次迭代所得末端断面的水位和流量，若满足精度要求，进入下一步骤；若不满足精度要求，将最后一次迭代所得末端断面水位和流量作为已知值，返回步骤(3)；步骤(8)，对于无压段，以最后一次迭代所得末端断面的水位和流量递推至首端断面，作为无压段各断面的稳定状态。对于有压段，以最后一次迭代所得的水位和流量作为各水力节点的稳定状态。2.根据权利要求1所述的一种复杂有无压混连水力系统的稳态预测方法，其特征在于：所述步骤(1)中的无压结构具体指流体在运动过程中与大气有直接接触的结构，有压结构具体指流体在运动过程中与大气无直接接触的结构。3.根据权利要求1所述的一种复杂有无压混连水力系统的稳态预测方法，其特征在于：所述步骤(2)中将无压段分为M段，分段节点可标记为1,2,
…
，m+1；同时，无压段第m+1节点所在断面对应的水位假设为设计水位，对应的流量假设为设计流量，公式如下所示：Z
m+1
(k)＝Z
m+1，P
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)Q
i
(k)＝Q
m+1,p i＝1,2,3,
…
,m+1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中：k为迭代次数；Z
m+1，P
为第m+1节点所在断面对应的设计水位；Z
m+1
(k)为第m+1节点所在断面在第k次迭代所得的水位；Q
m+1，P
为第m+1节点所在断面对应的设计流量；Q
i
(k)为第i节点所在断面在第k次迭代所得的流量；由于是在稳态条件下，无压段各断面的流量均处处相等。4.根据权利要求1所述的一种复杂有无压混连水力系统的稳态预测方法，其特征在于：所述步骤(3)中递推无压结构各断面的水位和流量，指的是将无压段第m+1节点所在断面为计算起点，利用能量守恒方程，以第m+1节点所在断面的水力元素为已知量，推算至第m节点所在断面，再从第m节点所在断面推算至第m
‑
1节点，以此类推，可以一直推算至无压段进口断面，即第1个节点所在断面；递推公式如下所示：
式中：Z
i
(k)为第i节点所在断面在第k次迭代所得的水位；B
i
为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李高会，陈祥荣，张洋，李路明，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：