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，如不在設計與運行時加以控制，往往會超出恒定流的設計范圍，對輸水過程造成不利影響。因此，在設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)整體數值模擬與局部模型試驗相結合，針對引發(fā)輸水系統(tǒng)過渡過程的流量調節(jié)、泵站事故、檢修、不對稱輸水以及管道充水等各種工況，構建相應的數學模型，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，并從工程設計和運行角度提出針對相應非恒定流工況的水力設計與控制原則。主要內容如下： 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根據不同流態(tài)，通過物理模型試驗對保水堰的流量系數、局部損失系數、淹沒系數等特性參數進行了測量和分析，并對保水堰的流量系數、淹沒系數對水力仿真的敏感性進行了分析。利用模型試驗數據對巴甫洛夫斯基的

4、堰流淹沒系數數據進行了補充，并構造了保水堰淹沒系數關于淹沒度的函數曲線，對保水堰的邊界提出了動態(tài)淹沒系數的改進方法，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)的流量調節(jié)、事故停泵、單孔檢修的水力仿真模型，預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的變化規(guī)律，對分段低壓輸水結構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)具有一定的推廣應用價值，對于長距離并聯(lián)輸水箱涵連續(xù)關閘和變孔數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用于連續(xù)關閘的過渡過程控制，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合構建了有壓管道充水操作的數學模型，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上提出了變流量充水