本發(fā)明涉及水力計(jì)算領(lǐng)域，尤其是一種燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算是城市燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作，而且也是各個(gè)城市燃?xì)夤就晟乒芫W(wǎng)、優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)行管理和保障安全供氣的必要手段。經(jīng)過多年的研究實(shí)踐，國內(nèi)已形成了許多較為成熟的穩(wěn)態(tài)燃?xì)夤芫W(wǎng)的計(jì)算方法和程序，但目前存在的大多數(shù)水力計(jì)算程序普遍存在下列主要問題：

一、原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和錄入不方便，目前原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和錄入多為手工繪制管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖、手工錄入管道物理參數(shù)等管網(wǎng)信息、人工統(tǒng)計(jì)管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)流量并錄入數(shù)據(jù)資料；

二、缺乏原始輸入數(shù)據(jù)的檢查功能，往往需要花費(fèi)設(shè)計(jì)人員大量的數(shù)據(jù)檢查時(shí)間；

三、只能計(jì)算由單一管材構(gòu)成的管網(wǎng)，對多種材料組成的混合管網(wǎng)不適用；

四、設(shè)計(jì)人員主要依賴于計(jì)算結(jié)果，缺乏對水力計(jì)算過程的跟蹤，一旦迭代過程出現(xiàn)震蕩，設(shè)計(jì)人員往往只能憑借經(jīng)驗(yàn)；

五、無法解決大管徑或小流量時(shí)存在不收斂或收斂精度低的問題；

六、普遍采用雅克比法解水力計(jì)算線性方程組，收斂速度慢，而且不便于處理多氣源管網(wǎng)。

七、現(xiàn)有計(jì)算方法中，一種是分為層流狀態(tài)、臨界狀態(tài)和湍流狀態(tài)三種流態(tài)來計(jì)算摩擦阻力系數(shù)λ；另一種是分為水力光滑區(qū)、過渡區(qū)和阻力平方區(qū)三種狀態(tài)，分別給出了新鋼管、新鑄鐵管、舊鑄鐵管和塑料管等不同管材的計(jì)算公式。這兩種計(jì)算摩擦阻力系數(shù)λ的公式均為顯函數(shù)公式，方便手算，因此工程技術(shù)人員多采用該公式進(jìn)行水力計(jì)算。但是，這兩種管道摩擦阻力計(jì)算方法存在下面問題：流態(tài)不連續(xù)，在不同流態(tài)的分解點(diǎn)，雷諾數(shù)Re在分解點(diǎn)兩測振蕩，摩擦阻力系數(shù)λ是不連續(xù)的，存在一定的誤差，從而造成大管徑或小流量管網(wǎng)采用現(xiàn)有大部分水力計(jì)算軟件存在不收斂或收斂緩慢的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算方法，能夠真正實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算燃?xì)夤芫W(wǎng)水力的方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算方法，其包括

步驟一、采用柯列勃洛克公式計(jì)算燃?xì)夤艿滥Σ磷枇ο禂?shù)λ，即

其中：Re為雷諾數(shù)；ρ為燃?xì)饷芏?kg/m³)；K為管道內(nèi)壁的當(dāng)量絕對粗糙度(mm)；d為管道內(nèi)徑(mm)；

步驟二、對柯列勃洛克公式進(jìn)行形式變換，得

步驟三、求解f(λ)對λ的一階導(dǎo)數(shù)f'(λ)，得

步驟四、進(jìn)行迭代運(yùn)算，并用有限元節(jié)點(diǎn)法判斷迭代精度，至達(dá)到迭代精度要求。

在步驟四中的迭代運(yùn)算采用牛頓迭代，其迭代公式為,

在步驟四中的有限元節(jié)點(diǎn)法具體為，

節(jié)點(diǎn)流量連續(xù)方程組Aq+Q＝0；管段壓力降方程組A^TP＝Δp；管段流量方程組q＝C·Δp；由上述三式可得求解節(jié)點(diǎn)壓力的方程組：

其中：A為由元素a_ij組成的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣；C為由元素組成的節(jié)點(diǎn)對角矩陣；P為節(jié)點(diǎn)壓力向量；Q為節(jié)點(diǎn)流量向量；q為管段流量向量；Δp為管段壓降向量；A^T為矩陣轉(zhuǎn)置矩陣。

在計(jì)算節(jié)點(diǎn)壓力時(shí)采用高斯賽德爾迭代。

在步驟四中，每次的迭代結(jié)果都輸入AutoCAD或者Excel表中，以形成管網(wǎng)圖。

本發(fā)明采用上述方法后，

1、本計(jì)算方法可用于多環(huán)、多氣源點(diǎn)、環(huán)狀、枝狀管網(wǎng)的水力計(jì)算；

2、適用于由不同管材組成的燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算；

3、運(yùn)算速度快，迭代次數(shù)少，并且能夠有效地解決目前市面上的各種水力計(jì)算方法對于大管徑和小流量管網(wǎng)收斂速度緩慢或不收斂的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的計(jì)算方法流程圖。

圖2為本發(fā)明由燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算仿真系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)和客戶服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)圖。

圖3為本發(fā)明燃?xì)夤芫W(wǎng)水力工況尋優(yōu)的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

如圖1所示，一種燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算方法，其包括

步驟一、采用柯列勃洛克公式計(jì)算燃?xì)夤艿滥Σ磷枇ο禂?shù)λ，即

其中：Re為雷諾數(shù)；ρ為燃?xì)饷芏?kg/m³)；K為管道內(nèi)壁的當(dāng)量絕對粗糙度(mm)；d為管道內(nèi)徑(mm)；

步驟二、對柯列勃洛克公式進(jìn)行形式變換，得

步驟三、求解f(λ)對λ的一階導(dǎo)數(shù)f'(λ)，得

步驟四、進(jìn)行迭代運(yùn)算，并用有限元節(jié)點(diǎn)法判斷迭代精度，至達(dá)到迭代精度要求。

在步驟四中的迭代運(yùn)算采用牛頓迭代，其迭代公式為,

在步驟四中的有限元節(jié)點(diǎn)法具體為，

節(jié)點(diǎn)流量連續(xù)方程組Aq+Q＝0；管段壓力降方程組A^TP＝Δp；管段流量方程組q＝C·Δp；由上述三式可得求解節(jié)點(diǎn)壓力的方程組：

由上式可求得：

P＝-Q·[A·C·A^T]^-1；

將P代入管段壓力降方程組A^TP＝Δp，即可求得Δp；

將Δp帶入管段流量方程組q＝C·Δp，即可求出q；

其中：A為由元素a_ij組成的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣；a_ij為管段j與節(jié)點(diǎn)i的關(guān)聯(lián)元素，i和j分別是節(jié)點(diǎn)和管段的編號。

a_ij＝1，管段j與節(jié)點(diǎn)i關(guān)聯(lián)，且是管段的起點(diǎn)；

a_ij＝-1，管段j與節(jié)點(diǎn)i關(guān)聯(lián)，且是管段的終點(diǎn)；

a_ij＝0，管段j與節(jié)點(diǎn)i不關(guān)聯(lián)。

C為由元素組成的節(jié)點(diǎn)對角矩陣；s_j為管段j的阻力系數(shù)；α為常數(shù)，根據(jù)燃?xì)獾牧鲬B(tài)確定；q_j為管段j的流量。

P為節(jié)點(diǎn)壓力向量；

Q為節(jié)點(diǎn)流量向量；

q為管段流量向量；

Δp為管段壓降向量；

A^T為矩陣轉(zhuǎn)置矩陣。

在計(jì)算節(jié)點(diǎn)壓力時(shí)采用高斯賽德爾迭代，與傳統(tǒng)的雅克比解法相比，可以節(jié)約內(nèi)存，編程方便，并且提高收斂速度，用戶還可以根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)置節(jié)點(diǎn)壓力迭代精度。

本計(jì)算方法可用于多環(huán)、多氣源點(diǎn)、環(huán)狀、枝狀管網(wǎng)的水力計(jì)算；適用于由不同管材組成的燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算；運(yùn)算速度快，迭代次數(shù)少，并且能夠有效地解決目前市面上的各種水力計(jì)算方法對于大管徑和小流量管網(wǎng)收斂速度緩慢或不收斂的問題。

在步驟四中，每次的迭代結(jié)果都輸入AutoCAD或者Excel表中，以形成管網(wǎng)圖，提供迭代過程節(jié)點(diǎn)壓力曲線和管段流量曲線，方便設(shè)計(jì)人員通過壓力、流量、摩擦阻力系數(shù)和雷諾數(shù)迭代曲線深入了解管網(wǎng)水力計(jì)算迭代過程，避免手工繪制燃?xì)夤芫W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和人工收集、錄入原始數(shù)據(jù)。

如圖2所示，基于計(jì)算方法的系統(tǒng)包括燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算仿真系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)(燃?xì)夤艿繥IS地理信息系統(tǒng))、客戶服務(wù)系統(tǒng)以及通信鏈、防火墻和路由器，采用基于GIS系統(tǒng)(燃?xì)夤艿繥IS地理信息系統(tǒng))和燃?xì)饪蛻舴?wù)系統(tǒng)自動獲取相關(guān)信息，從GIS系統(tǒng)中獲取燃?xì)夤芫W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管道物理參數(shù)等管網(wǎng)信息，從燃?xì)饪蛻舴?wù)系統(tǒng)中獲取客戶節(jié)點(diǎn)流量歷史數(shù)據(jù)資料，提供輸入數(shù)據(jù)的檢查功能，并能將計(jì)算結(jié)果顯示到管網(wǎng)圖上，對于燃?xì)夤芫W(wǎng)中水力計(jì)算得到的壓降過大、流速過快的部分管道和壓力過低的節(jié)點(diǎn)，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行報(bào)警提示；對于燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算過程中出現(xiàn)震蕩不收斂或收斂速度過慢的情況，系統(tǒng)能夠根據(jù)特性參數(shù)迭代過程曲線，自動分析定位問題管道，并自動調(diào)整該管道相關(guān)聯(lián)部分管道的初始流量和管徑，打破迭代過程動態(tài)平衡，加快收斂過程；能夠自動將管道途泄流量歸并到相關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)上，生成節(jié)點(diǎn)集中流量。

如圖3所示，根據(jù)水力計(jì)算仿真系統(tǒng)輸出的節(jié)點(diǎn)壓力和管道流量是否滿足實(shí)際工況要求，自動或人工調(diào)整氣源廠分布、氣源廠出口壓力、管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管徑和管材，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)最優(yōu)化。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。