基于瞬变流的城镇供水管网二次加压模拟研究

论文摘要

城镇供水管网二次加压系统在实际运行中,由于存在用户需水量的频繁变化,调度水泵改变工况、阀门的启闭、事故停泵等因素引发管道中的瞬态工况,增加了管网系统的水力负荷,瞬变流造成管网的压力波动,有的甚至可能达到稳定的数倍或数十倍,从而对增压供水系统的稳定性以及市政给水管网的安全运行产生较大的危害。因此,对给水管网二次加压瞬态工况进行数值模拟研究分析成为极具实际意义的课题。本文选用一维流体分析软件FLOWMASTER对给水管网二次加压系统瞬态工况进行水力动态模拟,运用软件系统原有数据库元件对管网系统进行简化建模。针对模拟结果进行了系统的分析,为增压泵管网供水系统以及叠压供水设备的准入设计提供理论技术支持,通过实际工程实例模拟计算得到如下结论：(1)在管网直抽增压泵供水系统中,增压泵的启动采用闭阀启动产生的瞬时压力波动明显较小,有利于市政管网的稳定运行；在增压泵开启和事故停车过程中,合理地优化阀门的动作以及采用空气缸能有效减小水锤的影响；对于时变化系数较大的区域,采用工频增压泵与高位水箱联合供水,可以起到削峰填谷的平衡作用,提高了供水保证率,进而在一定程度上降低了市政供水设施的规模和投资,同时对整个管网增压泵供水系统的安全节能大有益处。(2)通过对水池加压供水系统与直抽增压供水系统进行模拟比较得到,直抽增压供水系统更具技术经济优势,但合理地确定水池临界标高能有效降低能量的浪费。(3)叠压供水设备准入接市政供水管网必须满足叠压给水设备不超量取水、能有效防止负压发生及叠压供水设备本身有关卫生安全方面的限制条件；通过工程实例模拟定量分析得到某一具体管段的实际最大抽取量以及计算设备安装选择合适的高程,对保证饮用水安全有重要意义。(4)对叠压供水设备引起的瞬态现象进行模拟得到：叠压泵的缓慢启动可以减小泵后压力对管网的影响以及泵前压力对市政管网的影响；以多台小型叠压泵替代大泵错开启动对市政给水管网压力以及泵后总压力波动影响较小；在对同一管段接入两套或者多套叠压供水设备时,采取错开启动时有利于市政供水管网的稳定运行,降低瞬变流对管网造成的潜在危害；叠压供水设备在进行工况切换使用,需要对整个更换过程进行水力模拟,有效控制水击波压力对整个系统的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景
• 1.2 与本文相关的研究现状
• 1.2.1 国内外对瞬变流研究概述
• 1.2.2 国内外对二次加压供水的研究概述
• 1.3 研究的目的及意义
• 1.3.1 研究的意义
• 1.3.2 研究的目的
• 1.4 论文研究的主要内容
• 第2章 压力管网瞬变流的基本理论和计算方法
• 2.1 瞬变流基本微分方程
• 2.1.1 水流运动方程
• 2.1.2 水流连续方程
• 2.2 瞬态水力分析的特征线方法
• 2.2.1 特征线方程
• 2.2.2 特征线方程的差分变换
• 2.2.3 特征线法方程式的收敛性
• 2.3 弹性管道水锤波速的计算方法
• 2.4 基本边界条件
• 2.4.1 上游端为已知水位水库
• 2.4.2 上游流量是时间的已知函数
• 2.4.3 下游端为盲端
• 2.4.4 下游端为阀门
• 2.4.5 串联管道连接
• 2.4.6 分叉管连接
• 2.4.7 离心泵
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于FLOWMASTER建立给水管网瞬态模型
• 3.1 FLOWMASTER管网建模的基础
• 3.1.1 软件平台选择
• 3.1.2 FLOWMASTER仿真计算原理
• 3.2 给水管网瞬态模型的简化
• 3.2.1 管段的简化
• 3.2.2 节点流量的简化
• 3.2.3 局部阻力系数的简化处理
• 3.3 给水管网瞬态模型的建立
• 3.3.1 基于稳态水力模型建立瞬态模型的分析
• 3.3.2 给水管网瞬变流激励机制的分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 供水管网增压系统瞬态模型的应用研究
• 4.1 供水管网瞬态水力模型应用概述
• 4.2 工程实例基本情况
• 4.3 管网直抽增压供水系统瞬态模型的应用
• 4.3.1 管网增压供水系统瞬变状态模拟分析
• 4.3.2 增压系统与高位水箱联合使用的模拟
• 4.4 从水池中抽吸的增压供水系统瞬态模型的应用
• 4.4.1 水池加压供水系统的模拟
• 4.4.2 水池加压供水系统的优化
• 4.5 两种加压方式的技术经济比较
• 4.6 本章小结
• 第5章 叠压供水系统瞬态模型的应用研究
• 5.1 叠压供水系统应用概述
• 5.2 工程实例基本情况
• 5.3 叠压供水设备对市政管网压力的影响分析
• 5.3.1 叠压供水设备准入条件分析
• 5.3.2 叠压供水设备引起的瞬态模拟
• 5.4 本章小结
• 总结与建议
• 参考文献
• 致谢