山西省万家寨引黄工程水力学仿真计算研究

'太原理工大学硕士学位论文山西省万家寨引黄工程水力学仿真计算研究姓名：郝晓燕申请学位级别：硕士专业：计算机软件与理论指导教师：段富2003.5.1 Y018435太原理工大学硕士研究生论文枷～，山西省万家寨引黄工程水力学仿真计算研究攮要万家寨弓|黄工程是溺悫最大、其考蕊际竞进拳乎鹣瓣戆式弓|东工程。该工程所处地域地形复杂，属大流量、长管道、高扬程、多级泵站审联运行的封闭式大型弓|承工程，沿线调蓄能力差，运行工况复杂。本文在引黄工程全系统分析的基础上，以面向对象的分析和设计方法，设计了水力学仿真系统的对象模激；建立了泵系统、篱道和润门的水力学仿舆计算的数学模型。在此基础上，绘出了管邋、泵系统数值计算和阀门关闭曲线的抛物线插值算法的流程。在WindowsXP环麓下，以上述仿翼计算模麓和算法为基穑，使用Visualbasic语言，编程实现了引黄工程从总千万家寨水库至申同嘴水库水利学仿真计算程序，对总一、二级泵站的多种运行工况的水力学暌变特征进行了饶真计算。理论分析和实际仿真计算结果表明，本文所采用的数学模型及数氆计髯方法楚可靠豹。因魏计算褥到豹系统将经是精确可靠的，并且与实际发生的工况签本吻合。关键词：；|黄工程，总于象站，总一，总二，永力学，仿真，厮向对象，特性，瞬变，计算 太藤璩王大学鹾士氍襄生论文THEHYDRAULlGS渊PUTERSlMULATlO犍OFSHANX{WANJlAZHAlYELLOWRlVER移lV￡RSlONPROJEC了Abstrao-tTheWanjiazhaiYellowRiverDiversionProjectCYRDe)isthebiggestonscaleinChinaandthemostadvancedclosediversionprojeftonearthaswell，whichisbigflow,longtunnel，highheadseriallycloselarge-scalediversionprojeftandhastowabilitytoadjustandsavewithcomplexrunningconditions．"IbispaperputsforwardtheobjectmodelsofthehydraulicscomputersimulationsystemOnthebasisofobject-orientedsystemanalysisanddesignaswellasthewholewsystemanalysisofYRDP．Atthesametime,systemdesignsandcreatesthehydraulicsmathematicalmodelsin挺f拜lsofitspumpsyaem，conduitandvalve．Onthisbase，putforwardtheflowofnumericalcalculationoftheconduitsandp髓mpsystem，andtheflowofparabola-insertionalgorithm,onwhicht沁valueofthemidstpoint011thevalve-closedcurveCatlbecalculated．Ontheplatformof骐qndowsXP,dependingOnthemodelofthehydraulicscomputersimulationandthealgorithm，aimingattheGenemlMainPumpStation(GlOWS)ofYRDP,fromWanjiazhaireservoirtoShentongzuireservoir,thehydraulicscomputersimulationprogramhasbeenprogrammedandimplementedwithMSVB6．0，whichisabletosimulatethehydraulicscharacteristicsofaseriesoftransientworkingconditionsbetweenGMPSlandGMPS2ofYRDP,Theoreticalanalysis8嚣practicednumericalcalculationresukindicate 太原理王大学硕士研究生论文thatmathematicalmoddsandnumericalcalculationmethodsinthepaperisexactlyreliable．Sothecharacteristicsofsystemareexactlyreliablebycalculation．Andittalliedwiththeactualworkingconditionsofthesystem．Keywords：YRDP,GMPS，GMPSl，GMPS2，hydraulics，simulation，object-oriented,charactefistics，transient，calculation3 太原理工大学硕士研究生论文第一章概述§1．1万家寨引黄工程概况山西省万家寨引黄入晋工程是目前国内最大的、国家九五期间重点建设的大型引水工程，其目的是从黄河取水，向太原，大同和朔州三大能源基地供水，以解决山西省水资源不足的问题。工程所处地域地形复杂，一些泵站和大部分输水线路建在地下，泵站前池容量较小，输水沿线调蓄能力较差。因此，全线必须按等流量原理进行输水控制，才能保证输水全线协调、稳定、安全、经济运行。该工程规模之宏大，科技含量之高，运行之复杂，在国内外引水工程中是罕见的。因此，该工程对供水可靠性，运行的灵活性和经济性及其工程设计在经济技术上的优化都提出了很高的要求，因而必须对系统的运行过程作定量和定性的分析，研究在各种条件下其备部分及整体的流量过渡过程。134】13s1万家寨引黄工程包括万家寨水利枢纽、总干线、南干线、北干线和联接段。总干线西起黄河万家寨水利枢纽，东至偏关县下土寨分水闸，北干线由下土寨分水闸向东至大同，南干线和联接段由下土寨分水闸向南至太原。工程设计年引水量12亿m3，其中，大同、朔州每年供水量5．6亿m3，太原6．4亿m3o输水线路总长452．41km，其中，总干线长44．4km，南干线长101．76kin，联接段长139．35km，北干线长166．9。该工程分两期建设，第一期工程经总干线、南干线及联接段实现向太原供水3．2亿m3；第二期工程完成全部土建及机电设备安装，经总干线、北干线实现向大同、朔州每年供水5．6亿m3，并最终实现向太原年供水6．4亿m3。 太原理工大学硕士研究生论文l、总干线总干线自黄河万家寨枢纽引水工程取水13起，向东至偏关县下土寨分水闸，线路总长44．4km，设计引水流量为48m3／s，沿线建筑物共20座，其中渡槽4座、有压隧洞1．4#洞、明流隧洞5-11#洞；泵站3座，总干一、总干二级泵站为地下泵站，总干三级泵站为地面泵站：以及申同嘴日调节水库和下土寨分水闸。设计总扬程356m。总干线起点为万家寨水库坝内有压管出口，经1群、2样、3拌有压隧洞向东南约1．0kin引至设在清沟南岸山体内的一级泵站(GMPSl)。一级泵站为地下厂房，第一期工程将安装3台定速机组，其中2台运行，l台备用。到第二期工程定速机组将从3台增至10台，其中8台运行，2台备用。仪态变频器用于10台机组的启动，在设计扬程140m时，单机流量约6．45m3／s。一级泵站出水调压井后线路经4#有压隧洞向东约1．7km至申同嘴村以东的二级泵站(GMPS2)。二级泵站也为底下厂房，其装机台数、机型和设计扬程同一级泵站。二级泵站出水调压井直接入申同嘴调节水库，水库运行水位1237．5m(二期工程1240．5m)～1248m，水库总库容为20．24万m3，淤积库容为5．54万m3，有效调蓄库容15万m3。申同嘴水库地下洞室为日调节蓄水水库，具有一定的调节能力，其目的是适应万家寨水库水位的变化，避免造成总干一、二级泵站与总干三级泵站级间流量不平衡，防止频繁开停机以及减少弃水造成能源浪费。总干线还包括申同嘴水库的三个弧型闸门(清淤闸、冲沙闸、放水闸)，从这里，线路继续向东经5#～10#明流隧洞和1#---4#渡槽到三级泵站 太原理工大学顶士研究生论文(GMPS3)，三级泵站位于岩头寺，设在偏关河右岸滩地上。三级泵站为地面厂房，带有一个无压前池。第一期工程也将安装3台机组，其中2台运行，l台备用。为了与来自申同嘴的自流线协调，这些机组应能够提供变速功能。到第二期工程完成，三级泵站将装机10台，其中4台变速机组，6台定速机组。与一、二级泵站相似，8台运行，2台备用。4台变频器用于机组启动和变速机组的调节。设计扬程76m时，单机流量6．45m3，秒。三级泵站出水池后线路折向东北经11#隧洞至下土寨分水点，由分水闸向南干线、北干线分水。总干～、二、三级站的水泵并列运行，其进水管和出水管并联后汇合至一条高压管中。总干三级所有水泵的进水池为无压式前池。2、南干线南干线引水工程主要建筑物共16座，其中渡槽3座、埋涵3段、明渠1段、无压隧洞7段、地面泵站2座(SMPSl，SMPS2)，以及7#隧洞出口防洪闸。线路总长约102km，设计引水流量25．8m3／s，总扬程280m。南干线起始于下土寨分水闸，然后线路折线向南，经1撑隧洞及1#渡槽穿过偏关河至南干线一级泵站(SMPSI)，南干线一级泵站设在偏关河左侧河道上，第一期工程泵站将安装1台定速机组，2台变速机组，其中1台备用。到第二期工程，水泵将增至6台，其中4台定速机组，2台变速机组，允许2台机组备用。2台变频器，用于机组启动和变速机组的调节，扬程140m时，单机流量6A5m3／秒。南一泵站(SMPSl)出水池后经2#隧洞，2}}渡槽(龙须沟)及3#隧洞至信虎新窑村东，再经1#压力埋涵穿南沟，至二级泵站(SMPS2)。 太原理工大学硕士研究生论文二级泵站装机台数、机型、扬程同一级泵站。一由二级泵站出水池向东南经4撑涵洞、3撑渡槽及5#隧洞至木瓜沟埋涵，木瓜沟以南引水线路经6撑隧洞至温岭埋涵出口后，需穿越宁岚铁路和神朔铁路，经7撑隧洞至头马营入汾河。南干一、二级站的水泵(定速泵、变速泵)进水为连通无压式前池，进、出水管为并联后汇合至一条高压管中。3、汾河流域汾河发源于宁武境内，流经静乐进入太原境内。汾河水库面积5268km3，该流域多年平均降水量440～500mm，最大年降水量为710～770mm，最小年降水量为215-250mm。年平均蒸发量：1580～1930mm．4、联接段联接段北起南干线7撑隧洞头马营出口，南至太原城市接水121呼延水厂，线路全长139．35km，其中汾河水库以上采用汾河天然河道输水，长约81．2km，输水流量25．8m3／s；汾河水库以下采用输水管(洞)输水，长约58．15km，设计引水流量20．5m3／s。沿线的主要建筑物有：汾河水库进水塔一座，取水隧洞1条，穿管有压隧洞6条、无压隧洞1条，减压阀3座，检修阀室9座，扫石、呼延消力池2座，67个排气阀井，40个排水阀井，9个流量计井，36个检查井等共150余座。专用供电变电站一座，发电站一座。进水塔采用敞开式塔式结构，设计流量20．5m3／s。在进水塔后，经过一段压力隧洞，线路引至流量调节阀室和检修阀室。在每个流量调节阀室后面设有溢流式进水池。每两个检修阀室f或检9 太原理工大学硕士研究生论文修阀室和流量调节阀室)之间的距离大约是4KM。每个流量调节阀室内设有三个并联的流量调节阀，起调节范围是0．0~20．5mS／s(2021年以前为O～10．25m3，s)，还提供有另一只流量调节阀以作备用。在每只流量调节阀的前面设置有一只检修蝶阀，该检修蝶阀用来在检修该流量调节阀时断水，正常时该蝶阀全开运行。检修阀室内设有检修蝶阀，该蝶阀只作全开或全关运行，不作局部开启运行。5、北干线北干线引水工程的主要建筑物有：渡槽33座、隧洞6段、埋涵36座、倒虹4座，大梁泵站(DPS)一座，魏家窑电站(WPP)一座，调节水库2座(大梁水库和赵家小水库)，调节库容分别为9125万m3和520万ITl3。北干线安排为二期工程。§1．2水力学仿真计算综述§1．2．1水力学仿真的意义由于引黄工程所处特殊地形、地质条件，全线采用隧洞、埋涵、渡槽，实行封闭式输水，5座泵站前池都很小，输水沿线调蓄能力不高，只有做到等流量运行，才可能避免水泵抽空或产生弃水。而在实际运行过程中，产生流量不平衡的因素很多。如总干线一、二级泵站直接从万家寨水利枢纽引水，水泵流量随库水位变化而变化，与下游总三泵站实行流量匹配就比较困难；各站在启动和关闭过程中，输水系统和泵站前池水流均处于不稳定状态，站间流量配合也比较困难：尤其在一站出现故障后，其他各站必须采取相应措施，／1+能保证全系统平衡。10 太原理工大学硕士研究生论文引黄工程是一项大型引水工程，其目标是“蜜全、可靠、经济运行”。弓|黄工稳系统之复杂，辩技含量之高，永力过渡过程诗舞豹工况缝合在围内外的诸多研究中是罕见的，而借助于传统的水工模型模拟难以实现。潮此，本文利用计算机技术，通过仿真优化工程设计，对如此复杂的供水系统，克服水工难以交现的困难，从水力学角度进彳亍分板，对未来系统的安全、经济运行模式进行探讨。弓l黄工程承力学模拟仿真趋稍嗣诗冀税较传模叛实际强境邋行科学实验的技术，也就是应用建立的数学模型在计算机上求解，以寻求原型中的特髓和行为规律，这种方法经济有效，受的蜀限少。蘑霸予量}舅援模掇仿真手段，疆突系绫浆承泵瓣变姆犍，务实瑷对瞬变的控制、减小因瞬变带来的危害提供理论和实验依据，增加系统的安全程，送一多绳毫泵戆效率，商着十分重要酌意义。§{+2。2零宠学瓣变谵算臻究l、瞬交流研究概}兄瞬变流的实质是非定常流，它研究流体发生瞬间变化的特性和控制方法等。人类对瞬变流的研究是从水锤开始的。在19世纪中叶，Memabrea就对压力管道中的水力冲击问题进行了研究Ⅲ。19世纪末，Joukowskv掇压力蛰道中的这静承力冲击现象称为“水锤”，势绘出了水锤的筵化计簿公式△妒=pie，By。1913年Alljevi提出水锈方程的球解方法【2】，之螽Schnyder和BergeFon又发硝了求锤分析匏安翔图解法溺。二卡世纪六卡年l弋，计算极憋应用傻数篷诗雾取得了长是熬进步， 太骤理工太举硕士研究融论文特摄线法逐渐成为痰穗计簿黢一释标准方法。在这方蟊Evangelisfi。G，Bergeron,Steeter和Wylie等作出了巨大的贡献【4】DI。随着研究的深入，研究的范围不再局限于基本水锤，涌波、掇荡、滚娃分离、空纯空滚、系统控麓等方嚣熬磷究遣送入瞬交流翦谤究范跨。于烂水锤蕊本理论就扩展为瞬变流理论。从水锤研究开始到现在，瞬变流的研究有了140多年的历史，僵随蓦秘学技术豹不羧遂步，实验及生产设备灼逐步改避，越寒越多她毅婀题出现在研究者的面前，向他们提出挑战。目前瞬变流的研究涉及到水利魄力、簸空靛天、石涵化工、压力传送等20多个行监魏许多辑究方蠢，涉及到水锤、振动耦合、空化空饿、动力穗定、系统控制、系统可靠性等许多方西静勰慰。近年来世雾上对瓣变流魏研究比较活跃麴骞：英国邓涎大学(UnibersityofDundee)的A．E．Vandy小组作的管道轴向、侧向波动测试，醑究分岔警道系统瓣交摄动及系统永锺懿谣控[5JUt{替兰懿Lavoij等从理论和应用上进行瞬褒研究，对大型复杂系统计算机数值仿真瞬变诗舞欷绺进行开发{8jf9；{美国豁密致投翅立大学调压室的流量连续方程为：g，∽，)29：(1)+2其中：Q。。∽。)——调压室上游管道的流量Q。，0。)——调压室下游管道的流量Q——调压室的流量。>水头平衡方程：Ⅳ川@。)=日，：(1)。■忽略水体惯性，调压井方程为HC2r+j；xQsIQ。I“；Qs=～dFsdt×爿，+g^1其中：【——调压井内水柱高度；Q——流入调压井的流量厂——流量损失系数：Z．——调压井底部高程；彳。——调压井截面面积；g——溢流流量当调压井水位高出溢流堰顶部时发生溢流，溢流流量：q=sd×xld×f29)2×Ah。2其中：△自——调压井水位高出溢流堰项的高差：厂d——溢流系数；x，d——为溢流堰长度 太原理工大学硕士研究生论文第三章水力学过渡过程仿真计算§3．1总干万家寨水库至申同嘴水库工程布置图总干一级泵站和总干二级泵站管道系统布置【40】如图3．1所示，由两条坝内有压管道从万家寨水库分别进入1#和2#有压隧洞，汇合后流入3#有压隧洞，途经1≠f调压室后由一条进水总管分出十根支管向总干一级泵站的10台泵供水(其中2台备用泵，图中没有画出)，升压后经过2#调压室、溢流井和3撑调压室进入总干二级泵站(其中2台备用泵，图中没有画出)，升压后通过出水竖井流入申同嘴水库。万寡寨水靡、忡善飞倒’室拌室因j峰哆莒声——j二、．．巧5，5，，殛码q、》，7囊垂固出4-吸蠹喜㈣喜器耄渤艮l总千一二级策站秉缱示意蜀Figure3-1SketchMapofGMPSl2§3．2总一、二水力仿真计算简化模型及参数在仿真计算实验中，利用第二章所述的数学模型，建立了总一、总二泵系统和1#-4#隧洞的仿真模型，万家寨水库，1#、2#调压井，溢流井和申同嘴水库水位由相应的变量交互设定。以此作为总一、二水力仿真计算的简化模型。相关计算参数列表于1、2、31401。39 太原理工大学倾士研究生论文表3-1调压井和溢流井参数底部高程(M)顶部高程(M)直径(M)溢流堰长(M)溢流系数14调压井934．7798012100．424调压井1082．8113912溢流井1082．111205．216．30．434调压井1069．811391244调压井1215．2125812表3—2管道参数(输水管道包括隧洞参数，表中Q=51．6m3／s)管道或隧洞直径长度水头损失(m)坝内有压管道4O68．8040．0003641#，2#隧洞4．O146．43#隧洞5．6825．3彰一级泵站吸水千管5．470．O0．06一级泵站吸水管2O45．0g一级泵站出水管1．845．0一级泵站出水干管5．2316．04#隧洞(至溢流井)5．690500．000534溢流井至2#调压井5．6819．O02二级泵站吸水干管5490．6二级泵站吸水管2．O45O0．06二级泵站出水管1．845．O彰二级泵站出水干管5228686表3-3水库特征水位设计水位(M)最高水位(M)最低水位(M)万家寨水库97187980957申同嘴水库1242．512451240 太原理工大学硕士研究生论文表3—4水泵的主要额定参数泵型立式单级单吸离心泵装机台数一、二期工程各3台、10台额定扬程H=140m额定转速N=600r／min额定流量Q-=6．45m5／s额定功率P=9630．36kW额定效率9002％机组转动惯量GD2=71300kg．m2阀门全开流量为g=6045m3／s时，阀门水头损失为胡，=o．3m。表3-5水泵性能曲线数据“oIQ3．74．565．255．916．427．098．088．23IH169．22164．2l157．77150．65144．07134．92119．06102．06Irt0．790．8450．880．8950．90．8980．8590．8(卜流量；H——弓历程：rl——水泵的效率表3-6WIt(X)和wB(x)数据(泵的全特性曲线)泵的全特性曲线是随泵的比转数而变化的，可以通过泵特性实验而得到，或者利用已有资料，根据泵的比转速，用线性插值方法得到。下面给出已有的由实验所得相近的比转速n。=140的水泵全特性曲线数据【4ll【47l。压力．水头特性曲线删：去、转矩特性曲线粕：去，口。+v‘口‘．4-V‘按问距daita0=pi／44取值。4l 奎壁翌三拦堡主堕壅生堡塞护(0．YI)}掰阡18口(FI．2FI)WH}阳aD．634-0．6843．13281．2880．453．07120．643-0．5473．2041．2810．4863．14280．646-0．4143．27521．260．520．21_36D．64-0．2923．34641．225O．552D．28480．629-0．1873．41761．1720．5"190．3560．613-0．1053．48881．1070．6030．4272O．595-0．0533．561．03l0．616D．4984D．575一O．0123．6312a．942a．6170．56960．5520．0423．70243．8423．606D．6408D．5330．0973．77363．7333．582D．7120．5160．1563．84480．6179．546D．7832D．5050．2273．916D．50．85440．5040．33．98720．368D．4320．95260．5lD．3714．05840．24D．360．99680．512D，4444．1296D．225D．2881．0680．5223．5224．20080．01l3．2141．13920．539)。5964．272一O．1020．1231．21040．559)．6724．3432—0．1680．0371．28160．58)．7384．4144-0．255-0．0531．35280．601)．7734．4856—0．342-0．16l1．4240．630．7974．5568-0．423—0．2481．49520．6620．8374，628-0．494—0．3141．56640．6920．8654．6992∞．556_o．3721．63760．7220．8834．7704-0．62—0．581．70880．7530．8864．9128-0．655—0．741．780．7820．8774．984—0．67—0．881．85120．808O．8595．0552～0．67—11．92240．832，．8385．1264一O．66—1．121．99360．8570．8045．1976—0．655—1．252．06480．879D．7585．2688-0．64—1．37Z．1360．9040．7035．34-0．63一1．492．20720．93D．6455．4112—0．57一1．592．27840．9590．5835．4824～O．52—1．662．3496D．996)．525．5536—0．47一1．69 太原理工大学硕士研究生论文2．42081．027D．4545．6248_o．43-I．772．4921．060．4085．696—0．36一1．652．56321．09D．375．7672-0．275—1．592．63441．124D．3435．8384一O．16一1．522．70561．1650．3315．9096一O．04—1．422．7768lI2040．3295．98083．13一1．322．848L2380．338S．052，．295一1．232．91921．258D．3546．i2320．43—1．12．9目"041．27lD．3726．19440．55—0．983．06161．2823．4056．26560．62一O．823．13281．288，．456．33680．634—0．684毛O．40．432O．4950．630．86l_25“】O．910．820．730．645O．57毛1．92．94．87．61323“O．50．44O．390．330．2950．25毛407013025050C100G100000AYO．2O．165O．125O．09O．06O．0250．001度)f一蝶阀不同开度角时的水力阻力系数；4一蝶阀不同开度的过流面积V§3．3主要计算程序流程§3．3．1串联管路计算对输水管道的模拟，能够输出管道中主要参数的计算结果以及函数变化曲线hp(截面水头)与t(时间)、Qp(截面流量)与“时间)的关系；对单管道、多管道均可实现模拟计算；并引入函数插值子程序，大大提高计算结果的精度。此程序只限于以下几种边界条件：上游端、下游端、恒定水库、阀门、恒定水库、盲端。为了简化计算，在上游端进水处、串联管道接口处不计能量损失，即进口损失和流速水头均被忽略。43 太原理工大学坝士研究生论文图3-2串联管道系统过渡过程计算框图Figure3-2TtheDrawofTransitionCourseofductworkinseries 太原理工大学硕士研究生论文§3．3．2关阀水锤计算用于计算确定管道中因关阀产生的水锤压力变化过程，确定最大水锤压力。水锤计算中运用了特征线法，即首先将水锤基本方程，即运动方程2．2和连续性方程2．3这组偏微分方程，变成特定条件下的常微分方程，见2．10，2．11，2．12，2．13；然后对这组常微分方程沿其特征线积分，见2．20，2，21；得到便于数值计算的有限差分方程，见2．18，2．19，再进行有限差分求其数值解。阀门端边界条件见2．49，2．50，2．5l。§3．3．3停泵的水锤计算水泵由于某种原因突然失电后，机组由于惯性的作用继续减速运行，当减速至零时，又在静压水头作用下经制动耗能工况进入水轮机工况。最后在飞逸转速下反向旋转。此计算可确定停泵水力过渡过程中水泵出121或管道中点处的水锤压力、瞬态流量及瞬态转速的变化；计算在万家寨和申同嘴水库不同水位组合下，调压井的水位，一、二级泵站水泵突然失电的情况下，水泵的最大、最小倒转转速，最大、最小倒泄流量，泵的出口断面所出现的最大、最小压力，以及确定水泵出现倒转的时间。并通过计算确定在水泵失电后调压井的水位和溢出流量。采用特征线法进行停泵水锤的数值计算，计算程序包括特征线网格上每一点的计算，因此，要多次循环往复。计算过程概述如下：(1)读入描述系统的有关参数，如：管长、波速、管径等，及瞬变状态的有关数据，如：阻力系数及水泵的全特性曲线数据。(2)将管路分段，求出时间增量△r。(3)计算管路常数。4S 太原理工大学顺士研究生论文(4)确定稳态下各计算断面的压力、流量、水泵的扬程、流量、效率和转速。(5)增加时间步J长：At，根据正负特征方程及初始条件求出中间各断面的瞬态水头和流量。(6)根据边界条件以及与之相接的正负水锤特征方程，采用合适的边界点求解方法，得出边界点的有关瞬态量。(7)检查各计算断面是否可能发生负压以及水柱中断，如果发生，调整计算模型，求解该断面的未知量。(8)将△f时刻的计算结果作为下一时段的初始值，重复(1)(2)(3)三步，一直算到要求计算的时间为止。(9)给出计算结果，计算该出水管道不同断面的水锤压力。§3．3．4阀门f—f曲线上的中间插值计算关闭阀门的规律以r—t曲线表示，曲线以一组离散的采样点描述。我们利用抛物线插值法计算出曲线上其它点的坐标。抛物线插值公式描述如下：设已知，(x)在三个相异的点x。，_，x：的函数值如下表：∽X：xo㈨一级泵站事故停泵而二级泵站正常运行，或二级泵站事故停泵而一级泵站正常运行的水力过渡过程计算；>溢流井的溢流量，及事故停泵时一号调节器压塔的水变化、溢流流量、三号隧洞不同段面的压力和流量计算。计算结果分析表明：>各调压井和溢流井水位在过渡过程中趋于稳定，过渡过程曲线略。>14调压井在两水库分别为最高水位时，水位达到980．OOm。相应的溢流流量为55．8498m3／s>溢流井的溢出流量在二级泵站停泵时达到最大为48m3／s。》在失电117．31s时，三号调压塔水位将达到最低水位。当一级停泵二级正常运行时，三号调压井在177．98s后，将发生漏底。》计算表明，当发生溢流时，溢流堰的溢流能力远大于水泵可能发生的出流能力。>水击波速为1389m／s，按特征线法计算取时间步长＆=O．06s。计算表明，在两水库水位分别为980m和1245m，系统稳定运行时，两泵站单泵流量为6．98m3／s和6．98m3／s。>泵后出口阀前：最大压力为222．25m，发生在两水库分别为最高水位时；最小压力为63．42m，发生在两水库分别为最低水位时。>掉电水泵最大倒转转速达到最大为。1．32r／min，当机组全部断电时，运行到1．63s时，机组丌始倒转。 太原理工大学硕士研究生论文§3，42计算结果的部分图形运行工况：一级泵站开机台数为1，二级泵站开机台数为1。此时～级泵站的：水泵出水管断面0、1、2的H-T图即瞬变压头．时间图可以表示为图3．3、3-4、3-5。由图可见，泵的出口瞬变压头的变化幅值比较小，且随着时间的增加逐渐恢复到稳定值。图3-3(Figure3-3)图3—4(Figure3-41图3-5(Figure3-5)运行工况：一级泵站开机台数为l，二级泵站开机台数为1。此时一49 太原理工大学硕士研究生论文级泵站的：水泵出水管断面2的Q-T图即流量-时间图可以表示为图3-6。由图可见，泵出口流量有负值出现，说明出现倒流。随着时问的增加流量变的平稳。图3-6(Figure3-6)运行工况：一级泵站开机台数为l，二级泵站开机台数为1。此时一级泵站的：水泵出水管断面0的M．T转矩．时间图可以表示为图3—7。图3—7(Figure3-7)运行工况：一级泵站开机台数为l，二级泵站开机台数为1。此时二级泵站的：水泵出水管断面0、l、2的H．T图即瞬变压头一时间图可以表示为图3-8、3-9、3-10。由图可见，泵的出口瞬变压头的变化幅值比较小，且随着时间的增加逐渐恢复到稳定值。 太原理工大学硬士研究生论文图3-8(Figure3-8)图3-9(Figure3-9)图3-10(Figure3-10)运行工况：一级泵站开机台数为1，二级泵站开机台数为1。此时一级泵站的：水泵出水管断面0、1、2、3的Q．T图即流量一时问图可以表示为图3．11、3．12、3．13、3．14。由图可见，泵出口流量有负值出现，说明出现倒流。流量上下波动的幅度和频率由剧烈变的平稳。随着时间的增加流量变的平稳。 太原理工大学硕士研究生论文图3-11(Figure3-11)图3-12(Figure3-12)图3-13(Figure3-13) 太原理工夫学硬士磷究生论文嚣3—14(Figure3-14)运行工况：一级泵站舞枧台数为l，二级泵站开机台数为l。此时二级泵站断电，一缀泵站的：水泵出水管断面3的Q．T图即瞬变流量一时间辫可戳裘示必图3．1支由网可见，裂出口流量有负值出现，说明出现倒流。流量上下波动的幅度和频率由蒯烈逐渐变的平稳。 太原理工大学硕士研究生论文§3．4．3计算结果的可靠性分析本文以万家寨引黄工程为背景，建立了水力仿计算的数学模型。该模型是双曲型偏微分方程[28】【32】，选用特征线法求解得到差分方程组。因为特征线就是波传播的迹【30】，所以沿特征线成立的方程就是相容方程，其解必然满足相容条件。数值计算的可靠性分析如下：1、对原微分方程进行差分后，其尺：=o(At+ax)，即截断误差，当△f斗o，缸哼0时，R?哼0。所以用特征线法求解瞬变流问题时，差分方程与微分方程是相容的。2、特征线法得到的差分方程采用的差分格式la尝卜1恰好满足库朗条件㈦【33】，由此可见，所采用的差分格式是稳定的。3、当步长无限缩小(即△r呻0，Ax一0)时，差分方程的解趋于微分方程的解，计算方法是收敛的。理论分析和实际仿真计算结果表明，本文所采用的数学模型及数值计算方法是可靠的。所开发的仿真计算程序对可以引黄工程总千万家寨水库至申同嘴水库之间引水线路的多种运行工况的水力学特征进行仿真计算，其结果与实际发生的工况基本吻合。 太原理工大学硕士研究生论文§4．1总结第四章总结本文以万家寨引黄工程为背景，进行了万家寨引黄入晋工程的水利学仿真系统研究。首先，对整个工程进行了详细的描述；然后，在引黄工程全系统分析的基础上，以面向对象的分析和设计方法，设计了系统的水利学仿真系统的对象模型；建立了泵系统、管道和阀门的水力学仿计算的数学模型；并在此基础上，使用windows环境下的VisumbasiC语言，编程实现了引黄工程总干万家寨水库至申同嘴水库仿真计算程序，对该段引水线路的多种运行工况的水力学特征进行了仿真计算。理论分析和实际仿真计算结果表明，本文所采用的数学模型及数值计算方法是可靠的。仿真计算结果与实际发生的工况基本吻合。§4．2进一步的工作现有的计算是局部地、孤立地对系统某一段的水力学特性而言的。进一步的研究工作为总干三级、南干一级、南干二级泵站系统的水利学仿真计算，使的全系统的水利学仿真系统得以完善。 太原理工大学硕士研究生论文附录A运动方程的推导I毒◆IIII『『『．『二二二二二二壬二{厂————]斛睾函}·f一一。————————————————_——、i’———’一⋯⋯水流方向l{r2—_—专k一+图A。1运动方程符号若我们在上图中所示管中考虑一个具有横截面积A和长度6X的水平流体单元，若在距离X处的侧压管水头和流速是H和V，则在x+6X处各相应值是Ⅳ+(a乡名)蠡和Q+(。％)蠡。在x方向上有三个力一、F2、S作用在这个单元上。F和‘是压力产生的力，S则是摩擦力产生的剪切力。若y为液体的比重、A为管道横截面积、z为管道在指 太原理工大学颂士研究生论文定基准面上的高度，那么：F=川(日一z)(A．1)F2：y(日一z+掣出)爿融如果用达西一威西巴赫公式‘421计算摩擦损失，s：匕．丛骨D彘g8(A．2)则切应力为(A．3)式中g为重力加速度；f为摩擦系数：D为管道直径。作用在单元上的合力为：，2‘一‘一S(A．4)把方程(A·1)至(A．3)中V、‘、S的表达式代入方程(A．4)得到，：一脚掣蠡一上．业．万．D．舐。苏g8根据牛顿第二运动定律：力=质量×加速度(A．5)(A．6)(A．7)把方程(A．5)矛i1(A．7)代入方程(A．6)并用rA&除得到dV8Hfr|dt6瓠2D由初等微积分学知道，全导数为dVOV～a矿dl动融以方程(A．9)代入方程(A．8)得到警小尝垤豢+等=。(A．8)(A．9)fA．10)c爸∞堡西，一glI=度量速质加元单元单体流的中虑考于对 太原理工大学顺士研究生论文在多数瞬态问题中，y(a％)项比a％项小得多，可以忽略。为了计算反向流，方程(A．10)中的V2可以改写为州矿f，其中M是矿的绝对值。若以流量9表示方程(A．10)，则得詈+鲥罢+刍剑剑=o(AAl)所以，(A．1o)或(A．11)就是所导之运动方程。 太原理工大学颁士研究生论文附录B连续性方程的推导考虑图A一2所示的控制体，液体在时段国内流入体积弘和流出体积弘为圪=Vm"2at(A．12)勋“f=(矿+娑缸)a．r2西(A．13)式中r为管道半径。在时段&内液体体积增量为拜c，即彤。：E。一匕：一娑&fit材2(A．14)m㈧‘锄、在舀时段内压力变化是印=(雩磊)西。这个压力变化引起管壁径向膨胀或收缩，因为液体具有压缩性，也会引起流体单元长度的增加(见下图)。堕鲞》咖Ili■⋯一⋯⋯⋯一一u⋯⋯一一＆l⋯一～⋯一{幽A，2连续方程符号首先考虑因管道径向伸缩所产生的体积变化6E。管道由于压力P产生的环向应力盯用下列方程【43】表示：盯=堡(A．15)e其中e为管壁厚度。因此，印引起的环向应力变化衍可以表示为 太原理工大学硕士研究生论文厨=印LO．p．at．二(A．16)既然半径已增加到r+毋，应变的改变量就成为：出：!(A．17)r如果管壁假设为线形弹性的，则：E=竽(A．18)式中，E为杨氏弹性模量。以式A．16和A．17的面。和出表达式代入方程A．18，得到(A．19)或毋：望．!．at(A．20)OteE、’由于管道径向膨胀或收缩引起的液体单元体积变化为占鼍=2at&&(A．21)彤=2万粤．；嘏蠡(A．22)r0teE⋯j现在推导由于液体压缩性引起的体积变化占舻的表达式。流体单元的初始体积为：V-=刀2反(A．23)液体的体积弹性模量定义为：肛孝(A24)7弘用式子A．23替换乒并注意到印=(雩台)西方程A．24变为彤：一害．害．rrr2cer。(A．25)t8fK1如果假定液体密度保持不变，则由物质守恒定律可以得到60 太原理工大学硕士研究生论文洋+解=彤(A．26)以6圪、畔和哦的表达式(A．14)、(A．22)和(A．25)代入上面的方程并除以刀2>，得到定义如鬲iK呖纠l+【—丫乞F)J(A．27)(A．28)(A．29)式中P为液体密度，考虑到P=pgH，重新排列各项并代入以Q=VA，方程A．28变为：三2．挈+掣：0(A．30)鲥叙西所以，式子A．30即为连续方程⋯】。其中c为水击波速。印一西。告争皇≯≯』K争∥一缸∥一西或 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太原理工大学硕士研究生论文&myselect=0&word=％CF％D2％BD％D8％B7％A8fl71MarchalMGFleshandPSurer,ThecalculationofWaterhammerProblemsbyMeansoftheDigitalComputer,ProcIntsympWaterhammerpumpedstorageprojects，ASME，Chicago，Nov1965fl8】SteererVLandEBWylie，TransientAnalysisofOITshoreLoadingSystem，J．ofEng．ForIndustry,Trans，ASME，Vol97，SecB，No1，Feb1975『191DonskyBenjamin，CompletePumpCharacteristicsandtheEffectsofSpecificSpeedsonHydraulicTransients。JBasicEng．ASME。Dec．1961『20]LintonP’NoreonPressureSurgeCalculationbytheGraphicalMethodPumpStoppageafterPowerFailure，KJEnver．BHRAFluidEngTN447，Aug1972[21】SheerTJ，RJBaaschandMSGibbs，ComputerAnalysisofWaterhammerinPumpingSystem，thesouthAfricanMech．Eng，Vol23，No7July1973【22】李欣，火电厂凝结水系统瞬变工况特性研究，太原理工大学硕士学位论文，20013[23】蒋劲，确定泵系统阀门最优关闭程序的VS方法研究，武汉水利水电大学学报，1994f5)[24】刘光临等，泵系统水锤最优阀调节研究，流体工程，19925【25】靳思宇，阎庆绂等，自激振荡流动的基本模式形态，太原理工大学学报，Vol32，No．6，2001【26]吴望一，流体力学，北京大学出版社，1983[27】闻德荪，工程流体力学，高等教育出版社，2001【28】吴持恭，水力学，高等教育出版社，1998[29】郭立君，泵与风机，水利电力出版社，1986[30】【美]EB怀利，VL斯特里特，瞬变流，水利水电出版社[31】陈材侃，计算流体力学，重庆出版社，1992[32】苏铭德，计算流体力学基础，清华大学蹦版社，1997【33]孙祥海等，计算流体力学导论，上海交通大学出版社，1987[34】山西省万家寨引黄入晋工程详细设计说明书天津水利水电勘测设计院(1996．9)[35]山西省万家寨引黄入晋工程全线自动化系统初步设计报告天津水利水电勘测设计院(19969)【36】山西省万家寨引黄工程一期工程简介山西省万家寨引黄工程总公司(1996)[37】冯允成，邹志红等离散系统仿真机械工业出版社1998121p3lO一320[38]山西省万家寨引黄入晋工程自动化组网需求研究报告太原理工大 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太原理王文学硬士研究生论文攻读学位期间发表的学术论文论文题霸：山麟省万家寨引黄工程的技术特点及芷常输水方式论文嚣名；郝娆燕袋富太原理工大举山谢太原030024发表刊物名称：太原经济管理干部学院学报OoumalofTaiyuanCollegeofEconomicManagementCadres)发表刊物的国际标准刊号：ISSNl009，1106发表秘物赘晷肉统一列擘：CNl4．125垒摩发表干fj物的崮敝日期；2003年l胃lO露发表刊物的卷册号：2003年第1期，总第49期；175戚。【中图分类号】：F320【文献檬识码]：A陂章缡弓】：1009—1106(2003)0I-0175．02 奎星矍三奎兰堡主婴壅生笙茎——致谢本文是在导师段富教授悉心指导下完成的。在两年的研究过程中，导师给予我许多帮助、指导和鼓励。段老师学识渊博，治学严谨，乐于探索，勇于钻研，给我树立了榜样，始终激励着我挑战困难、勇往直前。值此论文完成之际，我向我的导师致以崇高的敬意和由衷的感谢!本文研究过程中，蕴涵了许多人直接或间接的关心和帮助。在此，我向水利系吴建华教授、郝润霞教授致以深深的谢意!向贾月梅老师致以深深的谢意!向山西省万家寨引黄工程总公司机电处王刚处长、赵喜萍高工以及给予我帮助的全体员工致以深深的谢意!向研究生部的老师致以深深的谢意!谢谢大家!!!郝晓燕20034'