1、有壓瞬變流及有壓瞬變流系統(tǒng)    2012-03-07     論文導(dǎo)讀:有壓瞬變流常指有壓管路中流體的非恒定流動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)中的水力元件或設(shè)備的運(yùn)行操作改變時(shí)，管路中原有的恒定流條件就發(fā)生變化，形成有壓瞬變流。引起瞬變流的原因很多，例如:閥門開度的改變、水泵起動(dòng)或停機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷改變、水庫水位變化、液體汽化.    有壓瞬變流常指有壓管路中流體的非恒定流動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)中的水力元件或設(shè)備的運(yùn)行操作改變時(shí)，管路中原有的恒定流條件就發(fā)生變化，形成有壓瞬變流。引起瞬變流的原因很多，

2、例如:閥門開度的改變、水泵起動(dòng)或停機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷改變、水庫水位變化、液體汽化、轉(zhuǎn)輪或?qū)~的振動(dòng)、管道的運(yùn)動(dòng)等。一般來說，有壓瞬變流系統(tǒng)由若干管道和若干水力元件(Hydraulicele二組成。有壓瞬變流系統(tǒng)往往是比較復(fù)雜的，其復(fù)雜性表現(xiàn)在兩個(gè)方面系統(tǒng)的幾何參數(shù)復(fù)雜，系統(tǒng)中常含有不止一根管道，并且管道之間還有串聯(lián)、并聯(lián)以及分岔聯(lián)接等不同的連接方式，常以管網(wǎng)的形式存在。這里所指的管道是以分布參數(shù)來描述的，即管內(nèi)的流體參數(shù)一摩擦損失、流體慣性、管道彈性和流體的可壓縮性等一都是沿管線分布的。可以用集中參數(shù)來描述的管道則視為系統(tǒng)的水力元件，如阻抗式調(diào)壓室的豎管等集中慣性元件和短盲管、短軟管等集中

3、容積元件。系統(tǒng)的水力元件的特性比較復(fù)雜。水力元件可有不同的分類方法。按照水力第一章緒論元件可控性能，可分為不可控水力元件和可控水力元件。具有操作調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的水力元件稱為可控水力元件，如緩閉閥、減壓閥、調(diào)壓閥、控制水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的調(diào)速器、電動(dòng)或液壓啟閉閘門、可調(diào)速或調(diào)角水泵機(jī)組等。不可控水力元件主要指瞬變流防護(hù)裝置，如開敞式調(diào)壓室、水錘消除器、空氣室、安全閥等，也包括不可調(diào)速調(diào)角的水泵機(jī)組、水庫、管道的盲端、固定管嘴等。按照水力元件所處的位置，可分為終端水力元件和中間水力元件。所謂終端是指流體所經(jīng)路徑的起點(diǎn)或終點(diǎn)。按照表達(dá)水力元件測(cè)壓管水位H和流量Q之間的關(guān)系式性質(zhì)，可分為動(dòng)力型和非動(dòng)力型水力

4、元件。關(guān)系式為代數(shù)式的為非動(dòng)力型水力元件，包括給定H、Q之一的代數(shù)式的元件，如水位可認(rèn)為不變的水庫、流量可用代數(shù)式表達(dá)的往復(fù)泵等;也包括給定H、Q之間的代數(shù)式的元件，如定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的離心泵、固定孔口等;還包括給定H、及其它輔助變量之間的代數(shù)式的元件，如可調(diào)節(jié)閥門(輔助變量為閥門開度)、啟動(dòng)運(yùn)行中的離心泵“輔助變量為相對(duì)于顫定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速比)等關(guān)系式中包括微分方程的為動(dòng)力型水力元件，如集中慣性元件、集中容積元件、空氣室、氣墊式調(diào)壓室、阻抗式調(diào)壓室、進(jìn)氣閥、排氣閥、逆止閥、緩閉閥等，這些元件引人的關(guān)系式是有關(guān)H或Q的微分方程。而對(duì)于水力機(jī)械這一類動(dòng)力型水力元件，如水泵、水輪機(jī)、水泵水輪機(jī)等，在研究其水

5、力過渡過程時(shí)還需引人轉(zhuǎn)速n的微分方程，再結(jié)合水力機(jī)械的特性來確定該水力元件在過渡過程中的動(dòng)力學(xué)行為。方程組(1一1)和相應(yīng)的初始條件、邊界條件構(gòu)成了數(shù)學(xué)上的適定問題。常采用特征線法求解，即由兩個(gè)特征線相容方程求解管道內(nèi)點(diǎn)的H、Q，管端的H、Q則由邊界條件(即水力元件特性關(guān)系式或管路連接情況決定的關(guān)系式)與特征線相容方程聯(lián)立求解。對(duì)于不止一條管道的系統(tǒng)，對(duì)其中每一根管道根據(jù)管端連接情況和水力元件特性均可列出相應(yīng)的方程，當(dāng)管端為動(dòng)力型水力元件時(shí)，求解管端的H、Q時(shí)河海大學(xué)博士學(xué)位論文較復(fù)雜，常常需要聯(lián)立方程迭代求解。求解適定問題，得到因變量H(x，t)、，t)在空間的分布和隨時(shí)間演化的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)

6、因變量H(x，七)、Q(x，的預(yù)測(cè)，稱為有壓瞬變流正問題。要使正問題可解，則要求系統(tǒng)水力元件的組成布置和管路的連接方式均是確定的，控制方程中各項(xiàng)的形式及其系數(shù)必須是確定的，初始條件是確定的，邊界條件即系統(tǒng)水力元件特性(包括可控元件的調(diào)節(jié)規(guī)律)也是確定的。也就是說對(duì)于組成和布置確定的系統(tǒng)，從初始狀態(tài)開始，根據(jù)控制方程和邊界條件，可推求下一時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)。該過程可一直進(jìn)行下去，直到獲得了在某一時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)過渡過程中的全部信息為止。如果將有壓瞬變流正問題的某種必須已知的確定因素變?yōu)槲粗拇蠼獾淖兞浚鴮⒄龁栴}的求解目標(biāo)(未知的因變量和的一部分或全部作為已知的必須滿足的條件，就構(gòu)成了某類反問題。需要指

7、出的是，為了保證反問題解的存在性，往往還需要附加與正問題求解目標(biāo)有關(guān)的某些信息，稱之為附加條件。以上是在時(shí)間域討論的。有壓瞬變流中的水力振動(dòng)問題通常在頻率域中討論。與時(shí)間域中的定義類似，已知系統(tǒng)的組成和布置，進(jìn)行系統(tǒng)自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)分析是求解正間題。如果事先設(shè)定系統(tǒng)的自振頻率特性或復(fù)頻特性，反求系統(tǒng)組成或布置(如確定管道的長度、理想的元件特性等)，則是求解反問題。目前，對(duì)于由偏微分方程控制的系統(tǒng)中的反問題，不同的研究者從不同的角度提出了不同的分類方法。文獻(xiàn)月從工程水力學(xué)的角度將由偏微分方程控制的系統(tǒng)中的反問題分為參數(shù)控制、源項(xiàng)控制、邊界條件控制、初始條件控制和形狀控制反問題;文獻(xiàn)則從工程的角

8、度將反問題分為綜合、控制及識(shí)別等幾類;而文獻(xiàn)6則將數(shù)學(xué)物理方程中的偏微分方程反問題分為算子識(shí)別問題、逆時(shí)間過程問題、邊界控制問題和幾何反問題。雖然有壓瞬變流系統(tǒng)的控制方程也是偏微分方程，但有其自身的特點(diǎn)。盡管有壓瞬變流系統(tǒng)千差萬別，簡單的系統(tǒng)如水庫一管道一閥門系統(tǒng)，復(fù)雜的系統(tǒng)可以包括成百上千個(gè)管道和水力元件，但是為了使得不同的系統(tǒng)在瞬變過程中都能安全可靠靈活地運(yùn)行，可以比較明確地確定幾類控制目標(biāo)和要求，這些目標(biāo)和要求正是求解反問題的目的所在。本論文根據(jù)求解目的的不同對(duì)有壓瞬變流反問題進(jìn)行分類。控制系統(tǒng)瞬變流以避免過高(或過低)的水擊壓力給系統(tǒng)帶來危害是研究有壓瞬變流的重要目的。求解限壓控制反問題以控制水擊幅值為其目的，它可描述為在某一系統(tǒng)中給定水擊壓力允許幅值，反求能夠有效控制瞬變流的參變量如水擊波速、初始流速、可控元件的調(diào)節(jié)規(guī)律、水力元件參數(shù)等。第一章緒論限壓控制反問題根據(jù)是否滿足調(diào)節(jié)終了時(shí)刻系統(tǒng)即處于新的恒定流動(dòng)狀態(tài)的條件而具有兩種不同的提法，又可以分為兩小類。如果限壓控制反問題僅有“限壓”要求，則稱之為限壓控制反問題一:如果除“限壓”要求外，還有“調(diào)節(jié)終了時(shí)刻系統(tǒng)即恒定”要求，則稱之為限壓控制反問題二。例如:文獻(xiàn)結(jié)合核工業(yè)中流體輸送系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究了給定水擊允許幅值反求水擊波速或流速初值的兩個(gè)