基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法及系統的製作方法
2023-10-04 13:52:29
基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法及系統，包括步驟：步驟1，採用Pressimann空間四點隱格式分別離散液體管道非恆定流控制方程和氣體管道非恆定流控制方程；步驟2，將調壓室和通氣廊道管道化，構建垂直管道液氣耦合模型；步驟3，採用追趕法的前掃描過程求解垂直管道液氣耦合模型，獲取水氣分界面高程；步驟4，根據獲得的水氣分界面高程調整氣體管道網格數和液體管道網格數，並保證水氣分界面位於氣體管道末網格線和液體管道末網格線間。本發明方法計算簡便，模擬準確度可達到三維數值模擬法準確度，可廣泛運用於水電站引水發電系統的工程設計，特別是帶通氣廊道的調壓室的工程設計。
【專利說明】基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法及系統
【技術領域】
[0001] 本發明屬於水電站數值模擬【技術領域】，特別涉及一種基於液相與氣相耦合的調壓 室水位波動模擬方法及系統。
【背景技術】
[0002] 隨著水電建設發展，調壓室應用越來越普遍，規模越來越龐大。一方面，水電站流 道的水力設計、結構設計等與調壓室位置、形式和尺寸密切相關；另一方面，一些關鍵的調 節保證參數，比如蝸殼壓力、尾水管壓力、調壓室最高湧浪水位、調壓室最低湧浪水位等均 受調壓室參數影響，調壓室對調節系統穩定性和調節品質等都具有非常大甚至決定性的影 響。
[0003] 工程設計時，一方面要使設計的調壓室的最小面積滿足壓力、湧浪極值以及系統 穩定的要求，並留有一定的安全係數；另一方面設計的調壓室的最大面積受到地形地質、圍 巖穩定等諸多因素限制，同時，調壓室投資佔流道系統比例相當大，應此在滿足調節保證和 機組運行穩定的前提下，應儘量減少工程量，滿足經濟合理原則。
[0004] 調壓室的工作原理是利用擴大的斷面和自由反射水擊波，減小水擊壓力並改善機 組的運行條件。設計階段，需要採用數值模擬技術對整個引水發電系統的動態特性及瞬變 過程進行仿真模擬，以確保各部分設計均滿足要求。調壓室作為引水發電系統的重要組成 部分，其水位波動模擬的準確性直接影響引水發電系統仿真模擬的可靠性，因此數值模擬 中調壓室邊界條件的選擇極其重要。
[0005] 調壓室的型式多種多樣，比如開敞式調壓室、氣墊式調壓室等。在地下式水電站 中，為減少調壓室的高度和工程量，採用通氣廊道將調壓室與外界大氣相連，因此調壓室水 位波動模擬同時涉及液相與氣相。另外有一種能減小地下式水電站調壓室工程量的方法， 採用一面積較小的堅直連接管連接壓力管道和調壓室底部，由于堅直連接管面積小流速 大，在數值模擬過程中則不能忽略堅直連接管內的水流慣性。
[0006] 已有的調壓室水位波動模擬方法主要有解析解法和數值解法。解析解法由於僅考 慮簡單調壓室系統的水位波動，只能在諸多簡化條件下單純的計算水位波動，而不能與引 水發電系統中機組等邊界條件聯合求解，在調壓室設計中已經很少被採用。
[0007] 調壓室水位波動的數值解法有一維數值模擬法和三維數值模擬法。現有的一維數 值模擬法中，把調壓室當作蓄水池考慮，調壓室內液體滿足靜壓分布，不考慮水在調壓室內 的流動，忽略調壓室邊壁與水流間的摩擦阻力；然後，結合管道非恆定流基本方程和引水發 電系統中邊界條件模擬調壓室內水位波動，一維數值模擬法的模擬過程中常常忽略氣體管 道對水位波動的影響。
[0008] 三維數值模擬法更準確，採用三維數值模擬法不僅能獲得一些宏的物理參數，t匕 如調壓室內水位波動隨時間的變化規律、阻抗式調壓室阻抗係數等，同時還能模擬諸如流 場、漩渦等一維數值模擬法無法獲得的微觀現象。三維計數值模擬法能考慮調壓室體型等 複雜流道邊界條件，並採用考慮了液相與氣相間耦合作用的兩相流模型。
[0009] 現有的調壓室水位波動的數值解法中，一維數值模擬法是假設調壓室內水流滿足 靜壓分布，因此未考慮調壓室內水流慣性，對於帶有長連接管的調壓室，連接管內水流慣性 對水位波動和其他調保參數的影響非常明顯，如不考慮調壓室內水流慣性則會帶來較大的 計算誤差，影響模擬準確性。另一方面，對於與通氣廊道相連的調壓室，一維數值模擬法忽 略了通氣廊道內氣體流動對水位波動產生的影響，同時，已有的一維數值模擬法也不能準 確模擬通氣廊道內風速等重要參數。
[0010] 三維數值模擬法雖然準確，但其計算一個工況所需時間很長，而所要計算的工況 常常很多，因此在工程設計階段完全採用三維數值模擬法並不現實；再者，由於水電站引水 發電系統過渡過程的模擬包含水力-機械-電氣三方面耦合，三維數值模擬法的優勢在於 流體方面，在機械控制、電氣調節等方面還沒有很好的模擬方法。因此對整個引水發電系統 模擬時，三維數值模擬法存在一定局限性。
[0011]目前國內外對液相與氣相耦合作用下的調壓室水位波動的研究不多，傳統模擬方 法不能滿足帶通氣廊道調壓室的水位波動模擬需要。
【發明內容】
[0012] 針對現有技術在模擬帶通氣廊道的調壓室內水位波動時存在的不足，本發明利用 液體管道非恆定流控制方程和氣體管道非恆定流控制方程，提出了一種基於液相與氣相耦 合的調壓室水位波動模擬方法及系統。
[0013] 為解決上述技術問題，本發明採用如下的技術方案：
[0014] 基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法，包括步驟：
[0015] 步驟1，採用Pressimann空間四點隱格式分別離散液體管道非恆定流控制方程和 氣體管道非恆定流控制方程，獲得對應的離散方程；
[0016] 步驟2,將調壓室和通氣廊道管道化，以調壓室內的水氣交界面為界劃分液體管道 和氣體管道，並以水氣交界面為氣體管道末斷面和液體管道末斷面，耦合液體管道與氣體 管道非恆定流，構建氣體管道末斷面質量流量和液體管道末斷面體積流量的關係、氣體管 道末斷面壓力和液體管道末斷面水頭的關係以及液體管道末斷面體積流量和水氣分界面 高程的關係，即獲得了垂直管道液氣耦合模型；
[0017] 步驟3,基於步驟1獲得的離散方程，採用追趕法前掃描過程獲得液體管道末斷面 體積流量和水頭的關係以及氣體管道末斷面質量流量和壓力的關係，所述的液體管道的前 掃描方向為調壓室底部向水氣交界面方向，所述的氣體管道的前掃描方向為通氣廊道出口 向水氣交界面方向；
[0018] 步驟4,聯合垂直管道液氣耦合模型、液體管道末斷面體積流量和水頭的關係以及 氣體管道末斷面質量流量和壓力的關係，獲得液體管道末斷面的體積流量和水頭、氣體管 道末斷面的質量流量和壓力、以及水氣分界面高程；
[0019] 步驟5,根據液體管道末斷面的體積流量和水頭以及氣體管道末斷面的質量流量 和壓力，採用追趕法後掃描過程獲得液體管道各斷面的體積流量和水頭以及氣體管道各斷 面的質量流量和壓力；所述的液體管道的後掃描方向為水氣交界面向調壓室底部方向，所 述的氣體管道的後掃描方向為水氣交界面向通氣廊道出口方向；
[0020] 步驟6,根據獲得的水氣分界面高程調整氣體管道網格數和液體管道網格數，並保 證水氣分界面位於氣體管道末網格線和液體管道末網格線間。
[0021] 步驟1進一步包括子步驟：
[0022] 1. 1採用Pressimann空間四點隱格式差分格式離散液體管道非恆定流控制方程， 獲得液體管道相鄰斷面的水頭增量和體積流量增量間的關係，即液體管道非恆定流控制方 程的離散方程；所述的水頭增量指計算時刻液體管道斷面的水頭較上一時刻水頭的增量； 所述的體積流量增量指計算時刻液體管道斷面的體積流量較上一時刻體積流量的增量；
[0023] 1. 2採用Pressimann空間四點隱格式差分格式離散氣體管道非恆定流控制方程， 獲得氣體管道相鄰斷面的壓力增量和質量流量增量間的關係，即氣體管道非恆定流控制方 程的離散方程；所述的壓力增量指計算時刻氣體管道斷面的壓力較上一時刻壓力的增量； 所述的質量流量增量指計算時刻氣體管道斷面的質量流量較上一時刻質量流量的增量。
[0024] 步驟2中所述的氣體管道末斷面質量流量和液體管道末斷面體積流量的關係為： $ = -β〃其中，Mu為氣體管道末斷面的質量流量，QN為液體管道末斷面的體積流量，P ^為 "氣 空氣密度。
[0025] 步驟2中所述的氣體管道末斷面壓力和液體管道末斷面水頭的關係為：
[0026]
【權利要求】
1. 基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法，其特徵在於，包括步驟： 步驟1，採用Pressimann空間四點隱格式分別離散液體管道非恆定流控制方程和氣體 管道非恆定流控制方程，獲得對應的離散方程； 步驟2,將調壓室和通氣廊道管道化，以調壓室內的水氣交界面為界劃分液體管道和氣 體管道，並以水氣交界面為氣體管道末斷面和液體管道末斷面，耦合液體管道與氣體管道 非恆定流，構建氣體管道末斷面質量流量和液體管道末斷面體積流量的關係、氣體管道末 斷面壓力和液體管道末斷面水頭的關係以及液體管道末斷面體積流量和水氣分界面高程 的關係，即獲得了垂直管道液氣耦合模型； 步驟3,基於步驟1獲得的離散方程，採用追趕法前掃描過程獲得液體管道末斷面體積 流量和水頭的關係以及氣體管道末斷面質量流量和壓力的關係，所述的液體管道的前掃描 方向為調壓室底部向水氣交界面方向，所述的氣體管道的前掃描方向為通氣廊道出口向水 氣交界面方向； 步驟4,聯合垂直管道液氣耦合模型、液體管道末斷面體積流量和水頭的關係以及氣體 管道末斷面質量流量和壓力的關係，獲得液體管道末斷面的體積流量和水頭、氣體管道末 斷面的質量流量和壓力、以及水氣分界面高程； 步驟5,根據液體管道末斷面的體積流量和水頭以及氣體管道末斷面的質量流量和壓 力，採用追趕法後掃描過程獲得液體管道各斷面的體積流量和水頭以及氣體管道各斷面的 質量流量和壓力；所述的液體管道的後掃描方向為水氣交界面向調壓室底部方向，所述的 氣體管道的後掃描方向為水氣交界面向通氣廊道出口方向； 步驟6,根據獲得的水氣分界面高程調整氣體管道網格數和液體管道網格數，並保證水 氣分界面位於氣體管道末網格線和液體管道末網格線間。
2. 如權利要求1所述的基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法，其特徵在 於： 步驟1進一步包括子步驟： 1. 1採用Pressimann空間四點隱格式差分格式離散液體管道非恆定流控制方程，獲得 液體管道相鄰斷面的水頭增量和體積流量增量間的關係，即液體管道非恆定流控制方程的 離散方程；所述的水頭增量指計算時刻液體管道斷面的水頭較上一時刻水頭的增量；所述 的體積流量增量指計算時刻液體管道斷面的體積流量較上一時刻體積流量的增量； 1. 2採用Pressimann空間四點隱格式差分格式離散氣體管道非恆定流控制方程，獲得 氣體管道相鄰斷面的壓力增量和質量流量增量間的關係，即氣體管道非恆定流控制方程的 離散方程；所述的壓力增量指計算時刻氣體管道斷面的壓力較上一時刻壓力的增量；所述 的質量流量增量指計算時刻氣體管道斷面的質量流量較上一時刻質量流量的增量。
3. 如權利要求1所述的基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法，其特徵在 於： 所述的氣體管道末斷面質量流量和液體管道末斷面體積流量的關係為= ，其 "氣 中，Μ"為氣體管道末斷面的質量流量，QN為液體管道末斷面的體積流量，Ρ η為空氣密度。
4. 如權利要求1所述的基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法，其特徵在 於： 所述的氣體管道末斷面壓力和液體管道末斷面水頭的關係為：=z+3,其中，HN為 液體管道末斷面的水頭，Z為調壓室水氣分界面高程，Pu為氣體管道末面的壓力，p n為空 氣密度，g為重力加速度。
5. 如權利要求1所述的基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法，其特徵在 於： 所述的液體管道末斷面體積流量和水氣分界面高程的關係為：
，其中，Z為調壓室水氣分界面高程，QN為液體管道末斷面的體積流 量；z°為前一時刻調壓室水氣分界面高程，成為前一時刻液體管道末斷面的體積流量；Λ t 為時間步長，F為調壓室橫截面積。
6. 如權利要求1所述的基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法，其特徵在 於： 步驟3中所述的液體管道末斷面體積流量和水頭的關係的獲得進一步包括子步驟： 3a-l基於調壓室與上遊管道交界處特徵線法的C+方程、調壓室與下遊管道交界處特徵 線法的Γ方程、以及調壓室與上遊管道、下遊管道交界處的體積流量連續性方程和能量守 恆方程，獲得液體管道首斷面的體積流量增量和水頭增量的關係；所述的液體管道首斷面 指液體管道與上遊管道、下遊管道相連的斷面；所述的體積流量增量為液體管道首斷面的 體積流量較上一時刻體積流量的增量，所述的水頭增量為液體管道首斷面的水頭較上一時 刻水頭的增量； 3a-2根據液體管道首斷面的體積流量增量和水頭增量的關係以及液體管道非恆定流 控制方程的離散方程，獲得液體管道各斷面的體積流量增量和水頭增量的遞推關係； 3a_3根據液體管道各斷面的體積流量增量和水頭增量的遞推關係，採用追趕法的前掃 描過程遞推出液體管道末斷面的體積流量增量和水頭增量的關係； 且，步驟3中所述的氣體管道末斷面質量流量和壓力的關係的獲得具體為： 3b-l根據氣體管道非恆定流控制方程的離散方程以及氣體管道首斷面的壓力增量，獲 得氣體管道各斷面的質量流量增量和壓力增量的關係；所述的氣體管道首斷面即氣體管道 與大氣相連的斷面；所述的壓力增量為氣體管道斷面的壓力較上一時刻壓力的增量；所述 的質量流量增量為氣體管道斷面的質量流量較上一時刻質量流量的增量； 3b-2根據氣體管道各斷面的質量流量增量和壓力增量的關係，採用追趕法的前掃描過 程遞推出氣體管道末斷面的質量流量增量和壓力增量的關係。
7. 如權利要求1所述的基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法，其特徵在 於： 步驟5進一步包括子步驟： 5. 1根據液體管道末斷面的體積流量獲得液體管道末斷面的體積流量增量，根據追趕 法前掃描過程中獲得的液體管道各斷面體積流量增量和水頭增量的關係式，採用追趕法後 掃描過程獲得液體管道各斷面的體積流量和水頭； 5. 2根據氣體管道末斷面的質量流量獲得氣體管道末斷面的質量流量增量，根據追趕 法前掃描過程中獲得的氣體管道各斷面質量流量增量和壓力增量的關係式，採用追趕法後 掃描過程獲得氣體管道各斷面的質量流量和壓力。
8. 如權利要求1所述的基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬方法，其特徵在 於： 步驟6進一步包括子步驟： 6. 1若當前水氣分界面位於氣體管道末網格線和液體管道末網格線間，則保持當前氣 體管道網格數和當前液體管道網格數不變； 6. 2若當前水氣分界面升高且超過了氣體管道末網格線，則減少氣體管道網格數，增加 液體管道網格數，使得當前水氣分界面位於氣體管道末網格線和液體管道末網格線間； 6. 3若當前水氣分界面降低且低於液體管道末網絡線，則減少液體管道網格數，增加氣 體管道網格數，使得當前水氣分界面位於氣體管道末網格線和液體管道末網格線間。
9. 基於液相與氣相耦合的調壓室水位波動模擬系統，其特徵在於，包括： 離散模塊，用來採用Pressimann空間四點隱格式分別離散液體管道非恆定流控制方 程和氣體管道非恆定流控制方程，獲得對應的離散方程； 垂直管道液氣耦合模型構建模塊，用來將調壓室和通氣廊道管道化，以調壓室內的水 氣交界面為界劃分液體管道和氣體管道，並以水氣交界面為氣體管道末斷面和液體管道末 斷面，耦合液體管道與氣體管道非恆定流，構建氣體管道末斷面質量流量和液體管道末斷 面體積流量的關係、氣體管道末斷面壓力和液體管道末斷面水頭的關係以及液體管道末斷 面體積流量和水氣分界面高程的關係，即獲得了垂直管道液氣耦合模型； 前掃描模塊，用來基於步驟1獲得的離散方程，採用追趕法的前掃描過程獲得液體管 道末斷面體積流量和水頭的關係以及氣體管道末斷面質量流量和壓力的關係，所述的液體 管道的前掃描方向為調壓室底部向水氣交界面方向，所述的氣體管道的前掃描方向為通氣 廊道出口向水氣交界面方向； 垂直管道液氣耦合模型求解模塊，用來聯合垂直管道液氣耦合模型、液體管道末斷面 體積流量和水頭的關係以及氣體管道末斷面質量流量和壓力的關係，獲得液體管道末斷面 的體積流量和水頭、氣體管道末斷面的質量流量和壓力、以及水氣分界面高程； 後掃描模塊，根據液體管道末斷面的體積流量和水頭以及氣體管道末斷面的質量流量 和壓力，採用追趕法的後掃描過程獲得液體管道各斷面的體積流量和水頭以及氣體管道各 斷面的質量流量和壓力；所述的液體管道的後掃描方向為水氣交界面向調壓室底部方向， 所述的氣體管道的後掃描方向為水氣交界面向通氣廊道出口方向； 動網格調整模塊，用來根據獲得的水氣分界面高程調整氣體管道網格數和液體管道網 格數，並保證水氣分界面位於氣體管道末網格線和液體管道末網格線間。
【文檔編號】G06F17/50GK104050341SQ201410322573
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月8日 優先權日:2014年7月8日
【發明者】王超, 楊建東 申請人:武漢大學