[发明专利]管网系统非恒定流模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于管网系统非恒定流计算领域，特别涉及一种管网系统非恒定流模拟方法。

背景技术

水电站过渡过程模拟的准确性在很大程度上影响着引水力发电系统结构和尺寸的设计，对水电站的安全和稳定运行具有重要的指导意义。其数值模拟涉及水机电三个方面的相互耦合，一方面的计算精度直接影响其他方面的计算结果。而对于引水发电系统中的水系统，不可避免的含有诸如尾水管、渐变段、调压室的长连接管、短管、明渠等不适宜采用显格式特征线法计算的管道，这些部位往往涉及到关键的调节保证参数，因此提高水系统的模拟精度是增加整个引水力发电系统数值计算准确性的重要条件。

水系统的模拟涉及水击基本方程、水力节点边界条件(如水库、调压室)、动力机械节点边界条件(如阀门、机组)等的联立求解。对于水击基本方程，可采用显格式差分或隐格式差分对其离散，再联立边界条件求解。显格式差分法编程容易，求解简单，便于处理非线性的边界条件，但受库朗稳定条件限制，适于处理长棱柱体管道。隐格式差分法无条件收敛，适用于处理非棱柱体管道、短管、明渠流等的数值模拟，但其编码复杂，不适用于复杂的引水发电系统。

对于诸如尾水管等断面沿轴线变化剧烈的非棱柱体管道，采用特征线法的当量管道来代替实际的尾水管改变了管道内水体的惯性分布，其直接影响利用特性曲线计算时机组轨迹线的准确性，而尾水管压力的计算值往往是水电站设计的重要参数，其计算的准确性对于电站的稳定运行极为重要。

对于系统中一些较短的管道，特征线法要求空间步长很小时时间步长只能取更小，由于整个系统要求具有相同的时间步长，因此增加了计算机时，特别是对于一些引水隧洞长达十几公里的电站，其计算量将会成倍增加。当时间步长稍微取大时，容易产生短管问题，短管一方面来源于较长管道划分整数网格后剩下的管道，一方面由于引水发电系统中有些水力机械节点之间的管道本身就很短，如蜗壳前阀门至蜗壳的管道，差动式调压室大井与升管之间的连接管道等。显格式特征线法中常常采用调整波速、刚化管道等方法处理短管，存在不同程度的简化和近似，而隐格式差分法求解拟线性双曲方程组时时间步长与空间步长相互独立，时间步长较大时仍可取较小的空间步长，易于处理短管问题。

对于调压室水位波动一维数值计算的模型中，无论是解析解还是数值解，往往不考虑调压室内的水流惯性，这是由于当调压室面积较大时，调压室内垂直方向的速度不大，水流惯性影响很小，简化处理后便于计算。而对于一些高水头电站和抽水蓄能电站，调压室面积较小或者需要较长的面积较小的连接管连接压力管道和调压室大井，调压室内水流惯性就不能不考虑。

对于水电站过渡过程的模型试验或现场原型监测，测点的位置是固定的，而特征线法的空间网格等分且随时间步长变化，网格线很难与监测点直接对应，需要采取临近点的插值来计算监测点的参数。

综合上述分析，将现有的模拟方法用于复杂管道系统的非恒定流模拟，模拟精度不高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种采用显格式与隐格式联合求解、适用于复杂管网系统的非恒定流模拟方法，该方法在不增加模拟复杂性的同时提高了模拟精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种管网系统非恒定流模拟方法，包括步骤：

（1）根据管道特性将引水发电系统中的管道选择划分为显格式差分计算管道或隐格式差分计算管道；

（2）对于显格式差分计算管道与显格式差分计算管道相连，由两管道边界分别提供的正负特征线方程和伯努利方程求取边界断面上的水头和流量，由显格式差分计算管道内部各断面的正负特征线方程求解各内部断面的水头和流量；

（3）对于显格式差分计算管道与隐格式差分计算管道相连，将显格式差分计算管道的边界特征线方程通过连接节点处的连续性方程和能量方程转化为隐格式差分计算管道的前扫描方程，并通过隐格式差分计算管道将前扫描方程传递到隐格式差分计算管道末断面边界节点，形成广义的特征线方程，与隐格式差分计算管道末断面边界节点的边界条件联立求解得到该末断面边界节点处的水头和流量，通过后扫描过程求解得到隐格式差分计算管道内各断面及与之相连的显格式差分计算管道边界处的水头和流量；

（4）对于隐格式差分计算管道与隐格式差分计算管道相连，采用伯努利方程将相连的隐格式差分计算管道合并连接为一隐格式差分计算管道，再结合上下游边界条件采用追赶法求取隐格式差分计算管道边界和内部各断面的水头和流量。

上述根据管道特性将引水发电系统中的管道选择划分为显格式差分计算管道或隐格式差分计算管道，具体为：