瞬变流中MIAB摩阻模型的数值模拟研究

水力瞬变现象是长距离输水系统安全运行时需要考虑的主要问题。由于传统"拟稳态"模型不能准确预测压力波的峰值以及水锤波的衰减过程,因此引入更准确的非恒定摩阻模型模拟瞬变流成为工程安全运行研究的重要内容。本文利用模型试验,通过采用恒定摩阻模型及MIAB摩阻模型进行数值模拟计算,定量分析了两种模型的模拟计算结果与实测压力值的吻合程度,对比分析模型的优劣,提出了通过改进Brunone摩阻系数k的经验公式、现场校正波速和摩阻系数f及研究长距离复杂供水系统的瞬变流动特性,以期进一步提高MIAB摩阻模型模拟计算精度。     

摩阻对压力输水管道水力过渡过程计算的影响

采用特征线法计算水力过渡过程,建立了5种阻力项积分数学模型,分别为:用水力瞬变开始时的恒定流阻力系数代替非恒定流阻力系数,摩阻项积分分别采用一阶显式、隐式模式;利用恒定流阻力系数代替非恒定流阻力系数,摩阻项积分分别采用一阶显式、隐式模型;采用Brunone非恒定摩阻模型.通过算例分析表明,这5种不同的阻力项所得的水力过渡过程计算结果基本一致.     

基于非恒定摩阻的管道泄漏数值模拟

输水管道的泄漏事故时有发生,而传统恒定摩阻模型无法精细描述泄漏时瞬变水击压力波的畸变和衰减过程,对管道泄漏检测非常不利。基于此,该文建立了考虑非恒定摩阻的管道瞬变流模型,对比了有无泄漏时非恒定摩阻对瞬变流动规律的影响,并对不同泄漏量和不同泄漏位置时管道泄漏的流量、压力参数变化进行了研究,为瞬变泄漏检测提供了理论指导和支持。模拟结果表明,非恒定摩阻不仅会加快水击压力波的衰减,也会引起相位的改变;泄漏点的存在会引起压力信号产生畸变,且畸变程度随泄漏流量和泄漏位置的变化有所不同。     

基于EIT摩阻模型与随机摩阻模型的水击随机分析

在以往水击随机分析中,摩阻按确定量考虑,其影响往往被忽略;而实际的水击过程中,摩阻为非恒定值,为一不确定量,文中研究非恒定摩阻对随机水击波动过程的影响.从水击的基本方程出发,分别建立了基于广义不可逆热力学理论的水击随机模型(EIT摩阻模型)与含有随机摩阻项的水击随机模型(随机摩阻模型),采用矩特征线法对水击过程进行数值模拟.算例表明,与采用恒定摩阻的水击随机分析比较,本文提出的两种随机模型在计算最大水击压力值的同时,可以模拟水击压力的波动过程,而且随机摩阻模型的数值计算更为简便.     

基于多尺度卷积神经网络的管道泄漏检测模型研究

如何有效检测管道泄漏是节水型社会建设迫切需要解决的关键和热点问题之一。近年来基于深度学习的管道泄漏检测方法发展迅速,本文针对传统单尺度卷积神经网络对泄漏特征提取不充分的问题,提出一种基于多尺度一维卷积神经网络(MS1DCNN)的管道系统泄漏检测模型。该方法利用多个不同卷积尺度的卷积通路并行提取管道泄漏的特征并进行泄漏信息的分类预测。基于经典的管道系统布置,利用瞬变流模型生成管道泄漏工况下的三个水压数据集对模型进行验证,三个数据集分别用于预测管道的泄漏位置、泄漏量和非恒定摩阻系数,对应样本数为39601、3980、4900,并将预测结果与其他深度学习方法和传统的机器学习方法进行对比分析。结果表明：MS1DCNN模型对数据集样本下泄漏位置、泄漏量、非恒定摩阻系数的分类准确率达到99.96%、98.48%、100%,三者平均预测精度比传统一维卷积神经网络(1DCNN)、BP神经网络、支持向量机(SVM)和k近邻算法(KNN)提高0.31%、2%、1.27%、22.8%;MS1DCNN在信噪比为-4～12 dB的噪声环境下各数据集的平均F₁分数分别为99.2%、97.02...     

基于HPSO的供水管网摩阻因数反演

由于运行中管道实际摩阻因数与设计采用值的不一致会影响供水系统的运行质量和安全，为得到准确的摩阻因数以反馈设计，以及对运行中的供水系统进行系统诊断和优化调度，提出一种基于混合粒子群优化算法（hybrid particle swarm optimization,HPSO）和管网水力计算模型的管段摩阻因数智能反分析方法，该方法以监测点处的水压监测值与水力计算模拟水压值的二乘误差最小为目标，通过HPSO的强大全局寻优能力计算不同管段的摩阻因数。对室内试验管网模型的反演结果表明：采用正常工况下反演得到的摩阻因数模拟水压监测点处水压与实际测量值之间误差最大为2.87%；在爆管工况下，水压模拟值与实际测量值最大相对误差为2.63%，说明通过该方法进行摩阻因数的反演具有较强的稳定性。     

考虑非恒定摩阻项的水击随机分析

现有水击随机分析中均忽略摩阻项的影响,特别是摩阻项对水击压力波动过程模拟的影响。在研究水击发生条件和影响参数随机性的基础上,建立含非恒定摩阻项的水击随机数学模型。引入矩特征线法对水击过程进行数值模拟。计算结果表明,考虑非恒定摩阻项的水击随机模型不仅可计算最大水击压力,而且能模拟水击压力波动的衰减过程。     

台阶式溢洪道摩阻流速沿程变化研究

为了研究台阶式溢洪道摩阻流速沿程变化规律,将其与相对应的光滑溢洪道进行对比,引入相对摩阻流速的概念。通过对台阶高度为0.5～2.0 m、坡角为26.6°～48.0°、单宽流量为35.7～62.2 m~2/s的台阶式溢洪道模型进行试验,分析了各个模型条件下摩阻流速和相对摩阻流速与流程长度之间的关系。分析发现:台阶式溢洪道摩阻流速沿程变化情况复杂,而台阶式溢洪道相对摩阻流速与流程长度之间具有良好的线性关系,规律显著,便于分析应用,以此论证了引入台阶式溢洪道相对摩阻流速的必要性。适当提高台阶高度对消能有利,在小单宽流量和坡度较陡时,台阶式溢洪道消能效果更佳。     

长江口径潮相互作用下洪枯季余水位变化

余水位即潮周期内的平均水位，是河口径潮动力非线性作用的典型结果。为探究径流、潮汐及其相互作用对余水位的影响，对摩阻项进行分解，通过潮平均摩阻的各分量对余水位的变化展开研究。采用二维水动力数学模型，模拟得到长江口余水位时空变化特征；利用连续小波变换方法和摩阻计算公式，分析长江口潮平均摩阻的主要来源，建立线性回归模型，通过潮平均摩阻各分量的变化解释余水位的变化。研究结果表明：长江口余水位具有明显的洪枯季变化和大小潮变化特征，洪季余水位沿程增幅更大，大潮时余水位较小潮时更高；长江口潮平均摩阻以径流作用和径潮相互作用产生的摩阻为主，因径流量巨大，前者对潮平均摩阻的贡献始终更大；潮平均摩阻控制余水位，长江口余水位的变化由径流作用控制，在下游站点径潮相互作用的影响不可忽视。     

液体管道高频水力瞬变过程的数值模拟

目前在液体管道高频水力瞬变分析中,人们通常采用经典的拟稳态摩阻模型进行分析.但这种方法针对管壁切应力具有拟稳态特性的缓慢瞬变的分析是可行的,而对高频瞬变流动过程而言却不能准确预测水击压力波具体的衰减过程以及出现的波形畸变现象.介绍了一种新的考虑瞬时加速度对高频水力瞬变过程影响的非恒定摩阻模型,并结合特征线法给出了其数值解法,最后通过实例验证了该模型能比经典的拟恒定摩阻模型更为准确地模拟液体管道中高频瞬变流压力波的衰减和波形畸变.该模型对计算机的要求和计算耗时与经典的拟稳态摩阻模型相差不大,是一种具有良好工程应用潜力的液体管道高频瞬变分析数学模型.     

Development of Multiple Leakage Detection Method for a Reservoir Pipeline Valve System

The detection of multiple leakages in pipeline systems has been one of the challenging issues for the control of water loss in water distribution systems. Inverse transient analysis can be a useful principle for predicting leakage through the calibration of location and leakage quantity, based on the pressure reflection that originates from an abnormal boundary condition. In this study, an innovative leakage detection method is proposed to address unknown conditions on multiple leakage dimensions through introduction of revised leakage expressions based on a frequency domain approximation. A multiple leakage function was modified for an efficient representation of multiple abnormalities at a reservoir pipeline valve system. An iterative metaheuristic scheme (IMS) was designed to handle an optimization scheme for multiple leakages using a pressure response for a discharge impulse introduced through value manipulation. In order to address unsteady friction in hydraulic transients combined with multiple leakages, both one-dimensional and two-dimensional models were used to derive leakage expressions for turbulent and laminar flow conditions. An isolated multiple leakage function (IMLF) was proposed to exclusively encapsulate the impact of leakages and unsteady fiction. Considering uncertainties in the hydraulic transient propagation, data noise, and multiple local optima issues in large parameter calibrations, three advanced schemes were modularized to improve detectability of IMS. Several hypothetical examples were presented to show the potential of IMS, validity of three advanced schemes, and robustness in multiple leakage prediction compared to existing approaches.     

基于CFD的管道漏损模拟检测与评估研究

为研究管道漏损对供水管道中水力要素变化的影响,基于计算流体动力学（CFD）方法模拟分析了有、无漏损点和不同漏损点尺寸下供水管道内部水流流动及流场变化过程。以1^#管道模拟结果为例,t=4 s时,无漏损管道拟设漏损点附近流速为0.16 m/s,压力为0.015 kPa;漏损管道漏损点附近流速峰值为0.32 m/s,压力峰值为0.068 kPa。管道整体结果表明1,管道无泄漏时,拟设漏损点附近管段内压力和流速波动较小;因泄漏,漏损管道漏损点附近管段内压力和流速出现峰值,且由沿程变化曲线可得,漏损点下游管段内压力和流速大小明显低于无漏损管道。不同模拟条件下漏损点所在管道内流速和压力具有相似的数值变化规律,但压力比流速变化更剧烈。漏损点尺寸大小与管道内流速和压力的数值变化成反比。本研究对供水管道漏损监测方案制定及监测设备布局优化具有重要的参考价值。     

液柱分离型水锤新空腔模型

为深入探讨液柱分离型水锤的模拟计算,通过改进离散空腔模型,提出了新空腔模型。新空腔模型考虑空腔处非满流的流态,根据前后管段的水流状态,将计算管段划分为7种类型,分别建立计算模块对空腔处管段进行分类计算,使其更为准确地计算空腔处的流量同时模拟空腔处的瞬变过程,并基于简单管路和复杂管路试验对新空腔模型进行了初步验证。结果表明,与DVCM相比,新空腔模型能够更准确地模拟瞬变过程中的压力波动和空腔形态、位置及空腔体积的变化,对水柱弥合过程的压力波动峰值的模拟更接近实测数据,有助于指导实际工程中的水锤安全防护。     

变特性长管道内水流冲击气团的刚性数学模型

导出了可模拟分析变特性长输水管道系统内有压水流冲击管道内滞留气团的瞬变流现象的实用刚性数学模型,并通过算例对比分析了该数学模型与现有针对单特性管道的几种简化刚性数学模型的差异,验证了该数学模型的有效性和合理性。     

输水管道含沙水锤模型及特性研究

水锤现象的准确描述对于长距离供水工程安全稳定运行有着至关重要的影响,但传统的水锤模型缺乏对于输水管道含沙水锤的深入探讨与分析。本文基于费祥俊阻力模型定义了管路当量摩阻,借鉴韩文亮浆体水锤波速公式推导了非均质流含沙水锤特征线方程,采用特征线法计算得到了不同泥沙颗粒参数下RPV系统的关阀水锤压力,并与清水水锤计算压力对比。结果表明：清水水锤数值计算瞬态压力与实验数据较为吻合;含沙水锤压力增量与含沙量呈正相关而与颗粒直径无关,含沙量100 kg/m³时最大水锤压力为77.91 m,较清水计算结果高出7.71%;由当量摩阻换算得到的管路糙率与含沙量和颗粒直径呈正相关,与初始流速呈负相关。相关研究成果为高含沙流域长距离供水工程安全运行与水锤防护提供了参考。     

基于MacCormack格式的变网格瞬变流模拟

输水工程中的水锤现象是设计和运行部门极为关注的问题,数值模拟是管路系统中水锤压力预测和控制的重要环节。为了对变特性管路系统的水锤进行数值模拟,建立了基于MacCormack格式的变空间步长的水锤计算模型（V-MCS）。通过与经典的Method of Characteristics（MOC）方法及固定步长的MacCormack（MTMS）方法模拟结果的对比,对V-MCS方法进行了验证。采用V-MCS方法模拟了变特性管路系统中的水锤过程,获得了管道压力与流量波动过程以及全线极值压力分布情况。结果表明,在变特性管路系统中,V-MCS方法可以有效地对复杂管路水锤现象进行模拟。该方法在空间网格划分上更为灵活,可根据计算需求对管道各个区域选取不等的空间步长,能在一定程度上减少计算断面数量,在不改变管路固有波速的情况下可实现对复杂管路系统的同步水锤模拟。     

A Multiscale Approach to Leak Detection and Localization in Water Pipeline Network

Leak detection and localization in water pipeline networks is of paramount importance to industry, especially in regions where water is scarce. In this paper, we present a novel multi-modal and multi-scale approach for leak detection and localization in water pipeline networks, in which pressure measurements at various points on the network are used to localize the pipe segment in which the leak is occurring, and then the vibration sensors are used to localize the leak within this segment. In some situations where the complete pipeline model is not available, pressure data alone may not be effective in localizing the leak. However, in such a situation, by supplementing pressure data with vibration data, the leak can be localized, as these additional data are easier to acquire at arbitrary points, since vibration sensors are non-invasive. In order to validate the effectiveness of the approach that needs both pressure and vibration data, we simulate the pipeline model using EPANET that includes models for flow and pressure at various points on the pipeline, then integrate the vibration model with it in MATLAB, since EPNAET does not include models for vibration measurements. A case study of a pipeline network is considered, and the proposed scheme is used to detect and localize the leak. Extensive simulation results show the effectiveness of the proposed scheme in providing accurate leak detection and localization.     

管道泄漏检测的水力瞬变全频域数学模型

输水管道泄漏孔的存在及其位置直接影响着系统压力波形的畸变和衰减特性,通过分析有、无泄漏时任意位置处的压头频域特性可使泄漏检测成为可能.在考虑非恒定摩阻影响的基础上,提出基于水力瞬变全频域数学模型的泄漏检测反问题分析方法.用拉氏频域变换处理边界条件和实测数据,并将遗传算法用于频域反问题模型的求解,在寻优速度上比传统的瞬变时域分析的方法有了较大的改善.算例表明基于水力瞬变全频域数学模型分析的管道泄漏检测是一种有效的新方法.