基于节点参数化技术的输水管网计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于节点参数化技术的输水管网计算方法，涉及水利领域。所述方法：对待测管网系统进行初始化；将初始化后的待测管网系统分解为参数化节点和相邻两个参数化节点间连接的计算管道；通过计算管道连接参数与节点连接参数将计算管道与参数化节点连接组合；判断当前计算的时间是否为模型控制结束时间，如果是，则完成当前时间待测管网系统中整个有压管网的计算；如果否，则返回S1，直至当前计算时间为结束时间为止，完成当前时段待测管网系统中整个有压管网的计算。本发明专利技术提出的输水管网计算方法在实现管网分解与快速计算基础上，还能很好地保证模拟计算的精度，计算效果不亚于商业软件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.

【技术实现步骤摘要】
基于节点参数化技术的输水管网计算方法
本专利技术涉及水利领域，尤其涉及一种基于节点参数化技术的输水管网计算方法。
技术介绍
供水系统是城市的重要基础设施，负责将水体从水源地输送至用水户，满足城市生活和生产用水需求。随着城市的快速发展，城市供水能力需求越来越高，供水系统的建设也越来越复杂。一方面，有压输水下的管网运行工况多，管理与控制难度大；另一方面，输水管网的安全与高效运行对于城市各需水部门正常运作至关重要。输水管网除设计合理性等问题外，在运行中还常出现管道渗漏甚至破裂、提水泵站过大水锤引起局部工程破坏、阀门失控造成局部水击等问题。输水管网的安全与高效运行不仅依赖于合理、过硬的工程设计与建设，还离不开支持管理人员快速分析与决策的模拟仿真平台。而目前较为落后的输水管网模拟计算技术和信息管理技术是我国城市输水管网科学化管理的短板。在复杂输水管网模拟计算方面的研究及其相关技术，国内外已有较多的成果可借鉴。尽管国内外对于输水管网计算方法和模型软件众多、模拟计算经验丰富，但在实践中仍存在各自的局限性和不足点。很多计算模型仍主要基于能量方程和平差理论，对水力过渡过程模拟困难，尤其在泵站、空气调节阀等内部调节工程较多、管网连接复杂时，要么功能不兼容，要么模型不开源，存在模型数据管理繁琐、模拟计算成本较高等诸多问题。而数据存储、模型兼容性和计算效率是选择管网计算模型的关键因素，一个数据存储方便、运算高效、易于编程实现的管网计算模型对于输水管网的快速预测与决策具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于节点参数化技术的输水管网计算方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本专利技术所述基于节点参数化技术的输水管网计算方法，所述方法包括：S1，根据待测管网系统中各节点的节点参数值和管道恒定输水公式对待测管网系统进行初始化；S2，将初始化后的待测管网系统分解为参数化节点和相邻两个参数化节点间连接的计算管道；同时，获得计算管道连接参数和节点连接参数，通过计算管道连接参数与节点连接参数将计算管道与参数化节点连接组合；S3，判断当前计算的时间是否为模型控制结束时间，如果是，则完成当前时间待测管网系统中整个有压管网的计算；如果否，则返回S1，直至当前计算时间为结束时间为止，完成当前时段待测管网系统中整个有压管网的计算。优选地，步骤S2中，采用有压管道瞬变流计算模型对任意计算管道计算，得到任意计算管道连接参数，其中，有压管道瞬变流计算模型按照下述建立：根据管道中水流的连续性和动量守恒原理推导得到水击方程组，所述水击方程组中的连续方程见公式(1)，所述水击方程组中的动量方程见公式(2)；其中，a为水击波速，单位m/s；v为流速，单位m/s；H为水头，单位m；α为计算管道逆时针旋转至水平方向的角度，当α<0.05时，vsinα忽略；f为达西-威斯巴赫摩擦损失系数；g为重力加速度，单位m/s2；D为计算管道直径，单位m；x为计算空间位置，单位m；t表示当前计算时间，单位s；采用特征线法求解水击方程，具体为：利用偏微分方程对应特征方程将水击方程组转换为沿波动传播方向的两组常微分方程，即方程(3)为公式(1)的常微分方程C+，方程(4)为公式(2)的常微分方程C－：将两组常微分方程离散后积分，分别得到以流量、水头为参变量的方程组，分别为方程组(5)和方程组(6)：其中，HP为管道中需计算断面P处的水头，单位m；QP为管道中需计算断面P处的流量，单位m3/s；H1、H2分别为计算管道中已知断面1、已知断面2处的水头，单位m；Q1、Q2分别为计算管道中已知断面1、已知断面2处的流量，单位m3/s；Δx为计算空间步长，单位m；A表示管道中需计算断面面积；基于方程组(5)和方程组(6)，由计算管道上一时刻的水流信息显式地计算当前时刻所述计算管道需计算断面P处的水流信息；为便于计算，将方程组(5)和方程组(6)分别简化为：C+:HP＝CP-BPQP(7)C-:HP＝CM+BMQP(8)其中，设定：由简化后的方程(7)和方程(8)换算得到断面P处流量QP的计算公式再根据方程(7)和方程(8)计算计算管道中水头和/或压力，完成任意计算管道水流的计算。更优选地，所述参数化节点包括的节点类型为普通连接节点/汊点、水头边界、流量边界、流量水头边界、流量阀、水泵机组、空气阀、止回阀、检修井、水位池/调压池、调压塔、分水/取水节点、排泥阀和隧洞/明渠渠段节点；步骤S2中，采用节点计算模型对各类型参数化节点计算，得到节点连接参数。更优选地，采用第一节点计算单元计算任意一个普通连接节点/汊点的连接参数，具体为：设所述普通连接节点/汊点处水头为HNode，所述普通连接节点/汊点存在两个特征：第一特征：每一条流入所述普通连接节点/汊点的管道i的流量Qi满足方程：第二特征：每一条流出所述普通连接节点/汊点的管道i的流量-Qi满足方程：再由所述普通连接节点/汊点处水流的连续性和能量守恒∑Qi＝0，求得所述普通连接节点/汊点处的水头计算公式(9)：其中，CPDWi、BPDWi分别表示流入所述普通连接节点/汊点的管道i末端断面对应于方程(7)中的CP、BP参数；CMUPi、BMUPi对应于流出所述普通连接节点/汊点的管道i首端断面对应于方程(8)中的CM、BM参数。更优选地，将所述水头边界、所述流量边界、所述流量水头边界统称为外界边节点，设外边界节点为节点Ⅰ，采用第二节点计算单元计算任意一个节点Ⅰ的连接参数，具体为：设与节点Ⅰ连接的管道上游已知流量变化过程Qup＝Q(t)；则由节点属性参数索引得到节点Ⅰ处管道断面Ⅰ的流量过程Qp＝Qup，采用公式(10)计算Ⅰ节点管道断面Ⅰ处水头：HP＝CMUP+BMUPQP(10)或设与节点Ⅰ连接的管道下游已知水头过程：HDW＝H(t)，则由节点属性参数索引得到节点Ⅰ处管道断面的水头过程HP＝HDW，采用公式(11)计算节点Ⅰ处管道断面Ⅰ流量：其中，HP为节点Ⅰ处管道断面Ⅰ的水头计算管道，单位m；QP为节点Ⅰ处管道断面Ⅰ的水头计算管道，单位m3/s；CPDW、BPDW分别表示流入节点Ⅰ的管道末端断面CP、BP参数；CMUP、BMUP分别表示流出节点Ⅰ的管道首端断面CM、BM参数。更优选地，采用第三节点计算单元计算任意一个流量阀连接参数，具体为：判断所述流量阀是位于管道末端的末端阀门还是安装在管道中间的内部阀门；如果是末端阀门β，则所述末端阀门β的流量Qβ计算公式为：其中，Cβ＝(Qβ0τ)2/(2Hβ0)，Qβ0、Hβ0分别为末端阀门全开时流量和水头；τ为末端阀门相对流量系数，满足τ＝CdAβ/(CdAβ)0，(CdAβ)0表示末端阀门全开时的CdAβ值；末端阀门全开时τ为1，末端阀门全关时τ为0；Cd为流量系数，Aβ为末端阀门开启面积；如果是内部阀门r，所述内部阀门r的流量Qr的计算公式为：其中，ΔHr为内部阀门全开时局部水头损失，单位m；Qr0为内部阀门全开时流量，单位m3/s；因公式(15)是隐式表达式，需迭代试算内部阀门的流量Qr；计算得到末端阀门和/或内部阀门流量后，与末端阀门连接的管道出口端断面流量与Qβ相等；与内部阀门连接的管道进口端断面流量与Qr相等；然后再分别计算与末端阀门连接的管道出口端断本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于节点参数化技术的输水管网计算方法，其特征在于，所述方法包括：S1，根据待测管网系统中各节点的节点参数值和管道恒定输水公式对待测管网系统进行初始化；S2，将初始化后的待测管网系统分解为参数化节点和相邻两个参数化节点间连接的计算管道；同时，获得计算管道连接参数和节点连接参数，通过计算管道连接参数与节点连接参数将计算管道与参数化节点连接组合；S3，判断当前计算的时间是否为模型控制结束时间，如果是，则完成当前时间待测管网系统中整个有压管网的计算；如果否，则返回S1，直至当前计算时间为结束时间为止，完成当前时段待测管网系统中整个有压管网的计算。

【技术特征摘要】
1.一种基于节点参数化技术的输水管网计算方法，其特征在于，所述方法包括：S1，根据待测管网系统中各节点的节点参数值和管道恒定输水公式对待测管网系统进行初始化；S2，将初始化后的待测管网系统分解为参数化节点和相邻两个参数化节点间连接的计算管道；同时，获得计算管道连接参数和节点连接参数，通过计算管道连接参数与节点连接参数将计算管道与参数化节点连接组合；S3，判断当前计算的时间是否为模型控制结束时间，如果是，则完成当前时间待测管网系统中整个有压管网的计算；如果否，则返回S1，直至当前计算时间为结束时间为止，完成当前时段待测管网系统中整个有压管网的计算。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S2中，采用有压管道瞬变流计算模型对任意计算管道计算，得到任意计算管道连接参数，其中，有压管道瞬变流计算模型按照下述建立：根据管道中水流的连续性和动量守恒原理推导得到水击方程组，所述水击方程组中的连续方程见公式(1)，所述水击方程组中的动量方程见公式(2)；其中，a为水击波速，单位m/s；v为流速，单位m/s；H为水头，单位m；α为计算管道逆时针旋转至水平方向的角度，当α<0.05时，vsinα忽略；f为达西-威斯巴赫摩擦损失系数；g为重力加速度，单位m/s2；D为计算管道直径，单位m；x为计算空间位置，单位m；t表示当前计算时间，单位s；采用特征线法求解水击方程，具体为：利用偏微分方程对应特征方程将水击方程组转换为沿波动传播方向的两组常微分方程，即方程(3)为公式(1)的常微分方程C+，方程(4)为公式(2)的常微分方程C－：将两组常微分方程离散后积分，分别得到以流量、水头为参变量的方程组，分别为方程组(5)和方程组(6)：其中，HP为管道中需计算断面P处的水头，单位m；QP为管道中需计算断面P处的流量，单位m3/s；H1、H2分别为计算管道中已知断面1、已知断面2处的水头，单位m；Q1、Q2分别为计算管道中已知断面1、已知断面2处的流量，单位m3/s；△x为计算空间步长，单位m；A表示管道中需计算断面面积；基于方程组(5)和方程组(6)，由计算管道上一时刻的水流信息显式地计算当前时刻所述计算管道需计算断面P处的水流信息；为便于计算，将方程组(5)和方程组(6)分别简化为：C+:HP＝CP-BPQP(7)C-:HP＝CM+BMQP(8)其中，设定：由简化后的方程(7)和方程(8)换算得到断面P处流量QP的计算公式再根据方程(7)和方程(8)计算计算管道中水头和/或压力，完成任意计算管道水流的计算。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述参数化节点包括的节点类型为普通连接节点/汊点、水头边界、流量边界、流量水头边界、流量阀、水泵机组、空气阀、止回阀、检修井、水位池/调压池、调压塔、分水/取水节点、排泥阀和隧洞/明渠渠段节点；步骤S2中，采用节点计算模型对各类型参数化节点计算，得到节点连接参数。4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，采用第一节点计算单元计算任意一个普通连接节点/汊点的连接参数，具体为：设所述普通连接节点/汊点处水头为HNode，所述普通连接节点/汊点存在两个特征：第一特征：每一条流入所述普通连接节点/汊点的管道i的流量Qi满足方程：第二特征：每一条流出所述普通连接节点/汊点的管道i的流量-Qi满足方程：再由所述普通连接节点/汊点处水流的连续性和能量守恒∑Qi＝0，求得所述普通连接节点/汊点处的水头计算公式(9)：其中，CPDWi、BPDWi分别表示流入所述普通连接节点/汊点的管道i末端断面对应于方程(7)中的CP、BP参数；CMUPi、BMUPi对应于流出所述普通连接节点/汊点的管道i首端断面对应于方程(8)中的CM、BM参数。5.根据权利要求3所述方法，其特征在于，将所述水头边界、所述流量边界、所述流量水头边界统称为外界边节点，设外边界节点为节点Ⅰ，采用第二节点计算单元计算任意一个节点Ⅰ的连接参数，具体为：设与节点Ⅰ连接的管道上游已知流量变化过程Qup＝Q(t)；则由节点属性参数索引得到节点Ⅰ处管道断面Ⅰ的流量过程Qp＝Qup，采用公式(10)计算Ⅰ节点管道断面Ⅰ处水头：HP＝CMUP+BMUPQP(10)或设与节点Ⅰ连接的管道下游已知水头过程：HDW＝H(t)，则由节点属性参数索引得到节点Ⅰ处管道断面的水头过程HP＝HDW，采用公式(11)计算节点Ⅰ处管道断面Ⅰ流量：其中，HP为节点Ⅰ处管道断面Ⅰ的水头计算管道，单位m；QP为节点Ⅰ处管道断面Ⅰ的水头计算管道，单位m3/s；CPDW、BPDW分别表示流入节点Ⅰ的管道末端断面CP、BP参数；CMUP、BMUP分别表示流出节点Ⅰ的管道首端断面CM、BM参数。6.根据权利要求3所述方法，其特征在于，采用第三节点计算单元计算任意一个流量阀连接参数，具体为：判断所述流量阀是位于管道末端的末端阀门还是安装在管道中间的内部阀门；如果是末端阀门β，则所述末端阀门β的流量Qβ计算公式为：其中，Cβ＝(Qβ0τ)2/(2Hβ0)，Qβ0、Hβ0分别为末端阀门全开时流量和水头；τ为末端阀门相对流量系数，满足τ＝CdAβ/(CdAβ)0，(CdAβ)0表示末端阀门全开时的CdAβ值；末端阀门全开时τ为1，末端阀门全关时τ为0；Cd为流量系数，Aβ为末端阀门开启面积；如果是内部阀门r，所述内部阀门r的流量Qr的计算公式为：其中，△Hr为内部阀门全开时局部水头损失，单位m；Qr0为内部阀门全开时流量，单位m3/s；因公式(15)是隐式表达式，需迭代试算内部阀门的流量Qr；计算得到末端阀门和/或内部阀门流量后，与末端阀门连接的管道出口端断面流量与Qβ相等；与内部阀门连接的管道进口端断面流量与Qr相等；然后再分别计算与末端阀门连接的管道出口端断面的水头Hk和与内部阀门连接的管道进口端断面的水头Hw：管道进口端k处的水头Hk计算公式：Hk＝CPDW-BPDWQk；管道出口端w水头Hw计算公式：Hw＝CMUP+BMUPQw；将局部阻抗节点排泥阀作为内部阀门全开τ＝1的流量阀节点。7.根据权利要求3所述方法，其特征在于，采用第四节点计算单元计算所述水泵机组连接参数，具体为：任意一个水泵机组计算方程为：HPump＝Hd(q2+n2)WH(e)(16)式中：HPump为机组扬程，单位m；Hd为水泵机组设计扬程，单位m；q和n分别为水泵机组的相对流量和相对转速；WH(e)表征水泵机组全特征量，查Suter曲线求得；e为水泵机组的转速与流量之间关系量，满足水泵机组相对流量q和水泵机组相对转速n的方程式：Hd(q2+n2)WH(e)-CMUP+CPDW-(BM...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷晓辉，王家彪，田雨，王超，姜龙，杨明祥，张忠波，廖卫红，尚毅梓，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11