復雜輸水系統(tǒng)的水力仿真與控制研究.pdf

1、修建大型長距離輸水工程是調(diào)節(jié)水資源時空分布不均，解決水資源供需矛盾的最有效、最直接的手段。輸水系統(tǒng)在發(fā)生水力過渡過程時系統(tǒng)沿線的水力要素隨時間發(fā)生急劇的變化，如不在設(shè)計與運行時加以控制，往往會超出恒定流的設(shè)計范圍，對輸水過程造成不利影響。因此，在設(shè)計和運行管理階段都必須對水力過渡問題給予足夠的重視，才能確保工程的安全與可靠。對輸水系統(tǒng)在各種工況下的水力仿真和控制進行系統(tǒng)全面的分析和研究勢在必行。本文以復雜的輸水系統(tǒng)為研究對象，通過輸水系

2、統(tǒng)整體數(shù)值模擬與局部模型試驗相結(jié)合，針對引發(fā)輸水系統(tǒng)過渡過程的流量調(diào)節(jié)、泵站事故、檢修、不對稱輸水以及管道充水等各種工況，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學模型，在對各種不同的水力過渡過程進行模擬仿真的基礎(chǔ)上，研究復雜輸水系統(tǒng)在不同工況下的非恒定流水力特性，并從工程設(shè)計和運行角度提出針對相應(yīng)非恒定流工況的水力設(shè)計與控制原則。主要內(nèi)容如下： ⑴針對代表復雜輸水系統(tǒng)水力過渡過程的無壓流、有壓流、無壓接有壓、明滿流交替等不同非恒定流過程，對特征線法和隱式

3、差分法進行對比，研究和確定了兩種方法在不同輸水方式和水流狀態(tài)下的適用性。通過采用自由氣體-液體離散模型和變波速模型對氣液二相瞬變流的模擬，對氣液二相流的水力特性進行了分析和研究，并對自由氣體-液體離散模型和變波速模型的適用性進行了研究。 ⑵根據(jù)不同流態(tài)，通過物理模型試驗對保水堰的流量系數(shù)、局部損失系數(shù)、淹沒系數(shù)等特性參數(shù)進行了測量和分析，并對保水堰的流量系數(shù)、淹沒系數(shù)對水力仿真的敏感性進行了分析。利用模型試驗數(shù)據(jù)對巴甫洛夫斯基的

4、堰流淹沒系數(shù)數(shù)據(jù)進行了補充，并構(gòu)造了保水堰淹沒系數(shù)關(guān)于淹沒度的函數(shù)曲線，對保水堰的邊界提出了動態(tài)淹沒系數(shù)的改進方法，可以很好的模擬保水堰的各種流態(tài)變化，為保水堰過渡流態(tài)的準確模擬提供了一種可供借鑒的方法。 ⑶分別建立了無壓接多孔并聯(lián)分段低壓輸水系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)、事故停泵、單孔檢修的水力仿真模型，預(yù)測過渡過程中輸水系統(tǒng)的壓力、水位、流速和流量等水力參數(shù)的變化規(guī)律，對分段低壓輸水結(jié)構(gòu)的水力特性進行分析，尋找可靠合理的輸水運行控制方案。

5、提出了復雜輸水系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)及事故停泵的水力控制原則。針對長距離并聯(lián)輸水箱涵的檢修操作，提出了一種補水的控制方法，通過在檢修箱涵的首尾設(shè)置補水孔，利用非檢修箱涵向檢修箱涵補水，對長距離并聯(lián)輸水箱涵單孔檢修所造成的閘后檢修箱涵脫空進行了有效控制，該控制方法對于長距離有壓輸水系統(tǒng)具有一定的推廣應(yīng)用價值，對于長距離并聯(lián)輸水箱涵連續(xù)關(guān)閘和變孔數(shù)運行等運行操作的水力控制也有一定的借鑒意義。 ⑷建立了多孔并聯(lián)的無壓接有壓的輸水系統(tǒng)的不對稱輸

6、水仿真模型，對于無壓段的不對稱輸水對下游有壓管段的影響進行了分析，針對于有壓段的不對稱輸水問題，為連續(xù)關(guān)閘和連續(xù)開閘的操作確定了最佳的閘門操作序列，并將補水的方法成功應(yīng)用于連續(xù)關(guān)閘的過渡過程控制，最后提出了長距離輸水系統(tǒng)不對稱輸水的控制原則。 ⑸將虛擬流量法與隱式差分法相結(jié)合構(gòu)建了有壓管道充水操作的數(shù)學模型，實現(xiàn)了對有壓管道充水過程的準確模擬，對有壓管道在充水過程中的水力特性進行了分析和研究，并在水力仿真的基礎(chǔ)上提出了變流量充水