基于節點參數化技術的輸水管網計算方法技術

本發明專利技術公開了一種基于節點參數化技術的輸水管網計算方法，涉及水利領域。所述方法：對待測管網系統進行初始化；將初始化后的待測管網系統分解為參數化節點和相鄰兩個參數化節點間連接的計算管道；通過計算管道連接參數與節點連接參數將計算管道與參數化節點連接組合；判斷當前計算的時間是否為模型控制結束時間，如果是，則完成當前時間待測管網系統中整個有壓管網的計算；如果否，則返回S1，直至當前計算時間為結束時間為止，完成當前時段待測管網系統中整個有壓管網的計算。本發明專利技術提出的輸水管網計算方法在實現管網分解與快速計算基礎上，還能很好地保證模擬計算的精度，計算效果不亞于商業軟件Hammer。

Calculation method of water distribution network based on nodal parameterization

The invention discloses a water distribution network calculation method based on node parameterization technology, which relates to the field of water conservancy. The method: measuring network system initialization will treat; after initialization of tested network system is decomposed into parametric nodes and two adjacent parametric connection between nodes connected by pipeline calculation; calculation of pipe connection parameters and connection parameters calculation pipeline and parametric node; judging whether the current time is calculated for the model control over time, if it is completed, the current time to be measured in the calculation of pressure pipeline system pipe network; if not, it will return S1, until the current computation time for end time, the completion of the current period to be measured in the calculation of pressure pipeline system pipe network. The calculation method of the water supply pipe network in the invention can ensure the accuracy of the simulation calculation on the basis of realizing the decomposition and rapid calculation of the pipe network, and the calculation effect is no less than that of the commercial software Hammer.

【技術實現步驟摘要】
基于節點參數化技術的輸水管網計算方法
本專利技術涉及水利領域，尤其涉及一種基于節點參數化技術的輸水管網計算方法。
技術介紹
供水系統是城市的重要基礎設施，負責將水體從水源地輸送至用水戶，滿足城市生活和生產用水需求。隨著城市的快速發展，城市供水能力需求越來越高，供水系統的建設也越來越復雜。一方面，有壓輸水下的管網運行工況多，管理與控制難度大；另一方面，輸水管網的安全與高效運行對于城市各需水部門正常運作至關重要。輸水管網除設計合理性等問題外，在運行中還常出現管道滲漏甚至破裂、提水泵站過大水錘引起局部工程破壞、閥門失控造成局部水擊等問題。輸水管網的安全與高效運行不僅依賴于合理、過硬的工程設計與建設，還離不開支持管理人員快速分析與決策的模擬仿真平臺。而目前較為落后的輸水管網模擬計算技術和信息管理技術是我國城市輸水管網科學化管理的短板。在復雜輸水管網模擬計算方面的研究及其相關技術，國內外已有較多的成果可借鑒。盡管國內外對于輸水管網計算方法和模型軟件眾多、模擬計算經驗豐富，但在實踐中仍存在各自的局限性和不足點。很多計算模型仍主要基于能量方程和平差理論，對水力過渡過程模擬困難，尤其在泵站、空氣調節閥等內部調節工程較多、管網連接復雜時，要么功能不兼容，要么模型不開源，存在模型數據管理繁瑣、模擬計算成本較高等諸多問題。而數據存儲、模型兼容性和計算效率是選擇管網計算模型的關鍵因素，一個數據存儲方便、運算高效、易于編程實現的管網計算模型對于輸水管網的快速預測與決策具有重要意義。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種基于節點參數化技術的輸水管網計算方法，從而解決現有技術中存在的前述問題。為了實現上述目的，本專利技術所述基于節點參數化技術的輸水管網計算方法，所述方法包括：S1，根據待測管網系統中各節點的節點參數值和管道恒定輸水公式對待測管網系統進行初始化；S2，將初始化后的待測管網系統分解為參數化節點和相鄰兩個參數化節點間連接的計算管道；同時，獲得計算管道連接參數和節點連接參數，通過計算管道連接參數與節點連接參數將計算管道與參數化節點連接組合；S3，判斷當前計算的時間是否為模型控制結束時間，如果是，則完成當前時間待測管網系統中整個有壓管網的計算；如果否，則返回S1，直至當前計算時間為結束時間為止，完成當前時段待測管網系統中整個有壓管網的計算。優選地，步驟S2中，采用有壓管道瞬變流計算模型對任意計算管道計算，得到任意計算管道連接參數，其中，有壓管道瞬變流計算模型按照下述建立：根據管道中水流的連續性和動量守恒原理推導得到水擊方程組，所述水擊方程組中的連續方程見公式(1)，所述水擊方程組中的動量方程見公式(2)；其中，a為水擊波速，單位m/s；v為流速，單位m/s；H為水頭，單位m；α為計算管道逆時針旋轉至水平方向的角度，當α<0.05時，vsinα忽略；f為達西-威斯巴赫摩擦損失系數；g為重力加速度，單位m/s2；D為計算管道直徑，單位m；x為計算空間位置，單位m；t表示當前計算時間，單位s；采用特征線法求解水擊方程，具體為：利用偏微分方程對應特征方程將水擊方程組轉換為沿波動傳播方向的兩組常微分方程，即方程(3)為公式(1)的常微分方程C+，方程(4)為公式(2)的常微分方程C－：將兩組常微分方程離散后積分，分別得到以流量、水頭為參變量的方程組，分別為方程組(5)和方程組(6)：其中，HP為管道中需計算斷面P處的水頭，單位m；QP為管道中需計算斷面P處的流量，單位m3/s；H1、H2分別為計算管道中已知斷面1、已知斷面2處的水頭，單位m；Q1、Q2分別為計算管道中已知斷面1、已知斷面2處的流量，單位m3/s；Δx為計算空間步長，單位m；A表示管道中需計算斷面面積；基于方程組(5)和方程組(6)，由計算管道上一時刻的水流信息顯式地計算當前時刻所述計算管道需計算斷面P處的水流信息；為便于計算，將方程組(5)和方程組(6)分別簡化為：C+:HP＝CP-BPQP(7)C-:HP＝CM+BMQP(8)其中，設定：由簡化后的方程(7)和方程(8)換算得到斷面P處流量QP的計算公式再根據方程(7)和方程(8)計算計算管道中水頭和/或壓力，完成任意計算管道水流的計算。更優選地，所述參數化節點包括的節點類型為普通連接節點/汊點、水頭邊界、流量邊界、流量水頭邊界、流量閥、水泵機組、空氣閥、止回閥、檢修井、水位池/調壓池、調壓塔、分水/取水節點、排泥閥和隧洞/明渠渠段節點；步驟S2中，采用節點計算模型對各類型參數化節點計算，得到節點連接參數。更優選地，采用第一節點計算單元計算任意一個普通連接節點/汊點的連接參數，具體為：設所述普通連接節點/汊點處水頭為HNode，所述普通連接節點/汊點存在兩個特征：第一特征：每一條流入所述普通連接節點/汊點的管道i的流量Qi滿足方程：第二特征：每一條流出所述普通連接節點/汊點的管道i的流量-Qi滿足方程：再由所述普通連接節點/汊點處水流的連續性和能量守恒∑Qi＝0，求得所述普通連接節點/汊點處的水頭計算公式(9)：其中，CPDWi、BPDWi分別表示流入所述普通連接節點/汊點的管道i末端斷面對應于方程(7)中的CP、BP參數；CMUPi、BMUPi對應于流出所述普通連接節點/汊點的管道i首端斷面對應于方程(8)中的CM、BM參數。更優選地，將所述水頭邊界、所述流量邊界、所述流量水頭邊界統稱為外界邊節點，設外邊界節點為節點Ⅰ，采用第二節點計算單元計算任意一個節點Ⅰ的連接參數，具體為：設與節點Ⅰ連接的管道上游已知流量變化過程Qup＝Q(t)；則由節點屬性參數索引得到節點Ⅰ處管道斷面Ⅰ的流量過程Qp＝Qup，采用公式(10)計算Ⅰ節點管道斷面Ⅰ處水頭：HP＝CMUP+BMUPQP(10)或設與節點Ⅰ連接的管道下游已知水頭過程：HDW＝H(t)，則由節點屬性參數索引得到節點Ⅰ處管道斷面的水頭過程HP＝HDW，采用公式(11)計算節點Ⅰ處管道斷面Ⅰ流量：其中，HP為節點Ⅰ處管道斷面Ⅰ的水頭計算管道，單位m；QP為節點Ⅰ處管道斷面Ⅰ的水頭計算管道，單位m3/s；CPDW、BPDW分別表示流入節點Ⅰ的管道末端斷面CP、BP參數；CMUP、BMUP分別表示流出節點Ⅰ的管道首端斷面CM、BM參數。更優選地，采用第三節點計算單元計算任意一個流量閥連接參數，具體為：判斷所述流量閥是位于管道末端的末端閥門還是安裝在管道中間的內部閥門；如果是末端閥門β，則所述末端閥門β的流量Qβ計算公式為：其中，Cβ＝(Qβ0τ)2/(2Hβ0)，Qβ0、Hβ0分別為末端閥門全開時流量和水頭；τ為末端閥門相對流量系數，滿足τ＝CdAβ/(CdAβ)0，(CdAβ)0表示末端閥門全開時的CdAβ值；末端閥門全開時τ為1，末端閥門全關時τ為0；Cd為流量系數，Aβ為末端閥門開啟面積；如果是內部閥門r，所述內部閥門r的流量Qr的計算公式為：其中，ΔHr為內部閥門全開時局部水頭損失，單位m；Qr0為內部閥門全開時流量，單位m3/s；因公式(15)是隱式表達式，需迭代試算內部閥門的流量Qr；計算得到末端閥門和/或內部閥門流量后，與末端閥門連接的管道出口端斷面流量與Qβ相等；與內部閥門連接的管道進口端斷面流量與Qr相等；然后再分別計算與末端閥門連接的管道出口端斷本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于節點參數化技術的輸水管網計算方法，其特征在于，所述方法包括：S1，根據待測管網系統中各節點的節點參數值和管道恒定輸水公式對待測管網系統進行初始化；S2，將初始化后的待測管網系統分解為參數化節點和相鄰兩個參數化節點間連接的計算管道；同時，獲得計算管道連接參數和節點連接參數，通過計算管道連接參數與節點連接參數將計算管道與參數化節點連接組合；S3，判斷當前計算的時間是否為模型控制結束時間，如果是，則完成當前時間待測管網系統中整個有壓管網的計算；如果否，則返回S1，直至當前計算時間為結束時間為止，完成當前時段待測管網系統中整個有壓管網的計算。

【技術特征摘要】
1.一種基于節點參數化技術的輸水管網計算方法，其特征在于，所述方法包括：S1，根據待測管網系統中各節點的節點參數值和管道恒定輸水公式對待測管網系統進行初始化；S2，將初始化后的待測管網系統分解為參數化節點和相鄰兩個參數化節點間連接的計算管道；同時，獲得計算管道連接參數和節點連接參數，通過計算管道連接參數與節點連接參數將計算管道與參數化節點連接組合；S3，判斷當前計算的時間是否為模型控制結束時間，如果是，則完成當前時間待測管網系統中整個有壓管網的計算；如果否，則返回S1，直至當前計算時間為結束時間為止，完成當前時段待測管網系統中整個有壓管網的計算。2.根據權利要求1所述方法，其特征在于，步驟S2中，采用有壓管道瞬變流計算模型對任意計算管道計算，得到任意計算管道連接參數，其中，有壓管道瞬變流計算模型按照下述建立：根據管道中水流的連續性和動量守恒原理推導得到水擊方程組，所述水擊方程組中的連續方程見公式(1)，所述水擊方程組中的動量方程見公式(2)；其中，a為水擊波速，單位m/s；v為流速，單位m/s；H為水頭，單位m；α為計算管道逆時針旋轉至水平方向的角度，當α<0.05時，vsinα忽略；f為達西-威斯巴赫摩擦損失系數；g為重力加速度，單位m/s2；D為計算管道直徑，單位m；x為計算空間位置，單位m；t表示當前計算時間，單位s；采用特征線法求解水擊方程，具體為：利用偏微分方程對應特征方程將水擊方程組轉換為沿波動傳播方向的兩組常微分方程，即方程(3)為公式(1)的常微分方程C+，方程(4)為公式(2)的常微分方程C－：將兩組常微分方程離散后積分，分別得到以流量、水頭為參變量的方程組，分別為方程組(5)和方程組(6)：其中，HP為管道中需計算斷面P處的水頭，單位m；QP為管道中需計算斷面P處的流量，單位m3/s；H1、H2分別為計算管道中已知斷面1、已知斷面2處的水頭，單位m；Q1、Q2分別為計算管道中已知斷面1、已知斷面2處的流量，單位m3/s；△x為計算空間步長，單位m；A表示管道中需計算斷面面積；基于方程組(5)和方程組(6)，由計算管道上一時刻的水流信息顯式地計算當前時刻所述計算管道需計算斷面P處的水流信息；為便于計算，將方程組(5)和方程組(6)分別簡化為：C+:HP＝CP-BPQP(7)C-:HP＝CM+BMQP(8)其中，設定：由簡化后的方程(7)和方程(8)換算得到斷面P處流量QP的計算公式再根據方程(7)和方程(8)計算計算管道中水頭和/或壓力，完成任意計算管道水流的計算。3.根據權利要求2所述方法，其特征在于，所述參數化節點包括的節點類型為普通連接節點/汊點、水頭邊界、流量邊界、流量水頭邊界、流量閥、水泵機組、空氣閥、止回閥、檢修井、水位池/調壓池、調壓塔、分水/取水節點、排泥閥和隧洞/明渠渠段節點；步驟S2中，采用節點計算模型對各類型參數化節點計算，得到節點連接參數。4.根據權利要求3所述方法，其特征在于，采用第一節點計算單元計算任意一個普通連接節點/汊點的連接參數，具體為：設所述普通連接節點/汊點處水頭為HNode，所述普通連接節點/汊點存在兩個特征：第一特征：每一條流入所述普通連接節點/汊點的管道i的流量Qi滿足方程：第二特征：每一條流出所述普通連接節點/汊點的管道i的流量-Qi滿足方程：再由所述普通連接節點/汊點處水流的連續性和能量守恒∑Qi＝0，求得所述普通連接節點/汊點處的水頭計算公式(9)：其中，CPDWi、BPDWi分別表示流入所述普通連接節點/汊點的管道i末端斷面對應于方程(7)中的CP、BP參數；CMUPi、BMUPi對應于流出所述普通連接節點/汊點的管道i首端斷面對應于方程(8)中的CM、BM參數。5.根據權利要求3所述方法，其特征在于，將所述水頭邊界、所述流量邊界、所述流量水頭邊界統稱為外界邊節點，設外邊界節點為節點Ⅰ，采用第二節點計算單元計算任意一個節點Ⅰ的連接參數，具體為：設與節點Ⅰ連接的管道上游已知流量變化過程Qup＝Q(t)；則由節點屬性參數索引得到節點Ⅰ處管道斷面Ⅰ的流量過程Qp＝Qup，采用公式(10)計算Ⅰ節點管道斷面Ⅰ處水頭：HP＝CMUP+BMUPQP(10)或設與節點Ⅰ連接的管道下游已知水頭過程：HDW＝H(t)，則由節點屬性參數索引得到節點Ⅰ處管道斷面的水頭過程HP＝HDW，采用公式(11)計算節點Ⅰ處管道斷面Ⅰ流量：其中，HP為節點Ⅰ處管道斷面Ⅰ的水頭計算管道，單位m；QP為節點Ⅰ處管道斷面Ⅰ的水頭計算管道，單位m3/s；CPDW、BPDW分別表示流入節點Ⅰ的管道末端斷面CP、BP參數；CMUP、BMUP分別表示流出節點Ⅰ的管道首端斷面CM、BM參數。6.根據權利要求3所述方法，其特征在于，采用第三節點計算單元計算任意一個流量閥連接參數，具體為：判斷所述流量閥是位于管道末端的末端閥門還是安裝在管道中間的內部閥門；如果是末端閥門β，則所述末端閥門β的流量Qβ計算公式為：其中，Cβ＝(Qβ0τ)2/(2Hβ0)，Qβ0、Hβ0分別為末端閥門全開時流量和水頭；τ為末端閥門相對流量系數，滿足τ＝CdAβ/(CdAβ)0，(CdAβ)0表示末端閥門全開時的CdAβ值；末端閥門全開時τ為1，末端閥門全關時τ為0；Cd為流量系數，Aβ為末端閥門開啟面積；如果是內部閥門r，所述內部閥門r的流量Qr的計算公式為：其中，△Hr為內部閥門全開時局部水頭損失，單位m；Qr0為內部閥門全開時流量，單位m3/s；因公式(15)是隱式表達式，需迭代試算內部閥門的流量Qr；計算得到末端閥門和/或內部閥門流量后，與末端閥門連接的管道出口端斷面流量與Qβ相等；與內部閥門連接的管道進口端斷面流量與Qr相等；然后再分別計算與末端閥門連接的管道出口端斷面的水頭Hk和與內部閥門連接的管道進口端斷面的水頭Hw：管道進口端k處的水頭Hk計算公式：Hk＝CPDW-BPDWQk；管道出口端w水頭Hw計算公式：Hw＝CMUP+BMUPQw；將局部阻抗節點排泥閥作為內部閥門全開τ＝1的流量閥節點。7.根據權利要求3所述方法，其特征在于，采用第四節點計算單元計算所述水泵機組連接參數，具體為：任意一個水泵機組計算方程為：HPump＝Hd(q2+n2)WH(e)(16)式中：HPump為機組揚程，單位m；Hd為水泵機組設計揚程，單位m；q和n分別為水泵機組的相對流量和相對轉速；WH(e)表征水泵機組全特征量，查Suter曲線求得；e為水泵機組的轉速與流量之間關系量，滿足水泵機組相對流量q和水泵機組相對轉速n的方程式：Hd(q2+n2)WH(e)-CMUP+CPDW-(BM...

【專利技術屬性】
技術研發人員：雷曉輝，王家彪，田雨，王超，姜龍，楊明祥，張忠波，廖衛紅，尚毅梓，
申請(專利權)人：中國水利水電科學研究院，
類型：發明
國別省市：北京,11