水文与水力计算

水文与水力计算（共6篇）

水文与水力计算 篇1

1 基本情况

集贤县新立塘坝位于丰乐镇南部大架山的低洼地处, 大架山东侧, 小霍家沟村南, 地理坐标为46°45′11″, 130°54′41″。塘坝集雨面积为大架山与东侧小山的分水岭流至低洼地的面积, 地处两山夹一沟之地, 地形较陡, 常年流水不断, 为了充分利用上游来水, 在此处建塘坝一处, 以供下游农田灌溉之用, 设计灌溉面积105亩。

2 水文

2.1 测站分布

集贤县新立塘坝附近无水文资料, 只有邻近流域四方台站水文资料与其最相近1962年建站, 有45年实测水文资料, 且塘坝处与四方台站两处自然地理特征和降水量相近, 因此本次水文计算采用水文比拟法和水文图集法两种方法进行。

2.2 径流

本次新立塘坝年径流采用以水文比拟法计算的径流深成果。多年平均年径流深R0=60mm, 变差系数Cv=0.64, 再由Cs=2.0Cv, 设计保证率P=75%, 查得Kp=0.54, 分别计算坝址处多年平均年径流量和P=75%设计年径流

2.3 洪水

2.3.1 洪水特性

塘坝处洪水多发生在7、8、9月份, 7、8、9月份出现的洪水次数占总数的80%。

2.3.2 设计洪水

本次设计洪水计算根据黑龙江省水利厅1996年颁发的《黑龙江省水文图集》并参考四方台站设计洪水成果进行选用, 洪水过程线采用概化过程线法进行计算。

(1) 设计洪峰

由《黑龙江省水文图集》成果图17-图18查得最大流量参数参考四方台站设计洪水成果进行修正, 根据相应频率模比系数Kp, 根据公式:

分别计算设计标准及校核标准洪峰流量。

(2) 试算概化过程线总历时T

(1) 计算洪水集中段历时t (5) (6) (7)

t=0.22F0.412 (t以天计, F以平方公里计)

(2) 洪量计算

由《黑龙江省水文图集》成果图19-图22查得最大流量参数参考四方台站设计洪水成果进行修正, 根据相应频率模比系数Kp, 根据公式分别计算设计标准及校核标准一日、三日洪量。

(3) 一次集中洪量计算

当t<3天

式中:t以天计, Wt以万立方米计

(4) 计算概化过程线洪水总历时

比较t与T, 两者接近可用概化线计算洪水过程, 两者相差较大, 则假设一个洪水集中段历时t, 重新计Wt, T, 直至两者较近为所求。最大24小时洪量 (W24) 与最大一日洪量 (W1) 比值取1.16。设计标准及校核标准洪峰、洪量成果见表1。

计算洪水集中段历时t、集中洪量Wt。

集中洪量Wt5%=W24tY=2.41 (万m3) 、Wt10%=W24tY=1.45 (万m3)

3 水利计算

新立塘坝工程的主要任务是灌溉农田, 其工程规模主要取决于农田灌溉面积, 本次灌溉面积为105亩。考虑泥沙淤积需要, 确定死库容为0.21×104m3, 相应死水位为159.42m, 水库兴利规模经过兴利调节计算后, 兴利总库容为3.35×104m3, 相应兴利水位为161.92m。

3.1 塘坝容积特性曲线

新立塘坝水位H~面积F~库容V关系表见表2。

3.2 调节性能及调节计算方法

根据来水情况, 考虑综合损失, 塘坝采取不完全年调节方式可灌溉0.01×104亩农田。径流调节计算采用典型年法推求满足设计保证率P=75%的兴利库容。

3.3 死水位

根据塘坝泥沙淤积情况要求, 确定死库容为0.21×104m3, 相应死水位为159.42m。

3.4 正常蓄水位

新立塘坝水库兴利规模主要由农田灌溉需水量决定。按照灌溉用水需要 (F=0.01×104亩) 进行调节计算, 确定所需的兴利总库容为3.35×104m3, 兴利水位为161.92m。

3.5 泥沙

总输沙量为悬移质和推移质之和。本流域无泥沙观测资料, 根据1996年《黑龙江省水文图集》查得本区多年平均悬移质输沙模数30t/km2.a, 乘以坝址以上集水面积2.57km2及1.5修正系数, 计算悬移质多年平均输沙量为115.65t, 推移质按悬移质20%考虑, 计算多年平均推移质输沙量为23.13t, 则多年平均总输沙量为139t。多年平均总输沙量乘以20即为20年的入库泥沙总量0.28×104t。容重采用1.3, 则20年需占库容0.21×104m3, 故运行二十年所需淤积库容为0.21万m3。

4 结语

本文通过对集贤县新立塘坝工程的水文与水力计算, 得出了死库容和兴利总库, 死水位和兴利水位等重要设计参数, 为工程的结构设计提供了重要依据。同时也可为类似的小型蓄水工程的水文与水力计算提供参考和借鉴。

摘要：塘坝是在山区或丘陵地区修筑的一种小型蓄水工程, 拦截和贮存当地地表径流的蓄水量不足10万的蓄水设施。用来积聚附近的雨水和泉水以灌溉农田, 塘坝作为抗旱蓄水工程越来越受到水利部门和农民的重视。随着我省小I和小II型水库除险加固工程临近尾声, 众多小塘坝成为下一步的整治目标, 本文以集贤县新立塘坝的设计过程为例, 简要说明塘坝等小型蓄水工程的水文与水利计算过程。

关键词：塘坝,蓄水工程,水文与水力计算

水文水力学耦合模型及其应用 篇2

平原地区,河道过流能力受到上游来水和下游水位的双重影响,水位流量关系复杂,传统的水文学方法难以满足实际防洪的需要;而水力学方法仅考虑洪水演进,模拟时把目标位置的洪水过程直接移至模型上边界作为模型的入流,这种做法忽略了模型区的产流和汇流因素。对于平原地区的洪水模拟,如果研究区域相对于整个流域所占的比重较大且陆面、水面交错频繁时,模拟计算的结果就很难反映实际情况[1]。本文充分考虑了研究区域的产流、汇流与河道洪水演算,重点突出如何解决水流模拟的边界条件,怎样实现水文学方法与水力学方法的耦合。

1模型结构

水文水力学耦合模型包括水文模拟和洪水演进模拟2个部分。其中,洪水演进模拟部分是核心,是基于圣维南方程组的水动力学方法;水文模拟部分是应用合适的水文模型模拟流域上游区域的洪水过程以及中下游区间的产、汇流过程。通过水文模型模拟流域的蒸发、降雨径流、区域汇流和区域出流。其中水文模型的输出部分——区域出流预报,作为流域洪水演进模型的边界条件,是洪水演进模型的输入部分,通过边界条件的模拟,实现水文模型与洪水演进水力学模型的耦合。洪水演进模拟需要解决边界条件、河道水流、支流水量交换和区域连接关系的模拟。通过模拟区域连接关系,实现全流域耦合求解[2,3]。本文构造的水文水力学耦合模型结构,如图1所示。

2模型求解

2.1边界条件模拟

水系纵横交错,河道比降小,水流流态一般为缓流,是平原地区水流的典型特征。其水流会受到下游水位条件的影响,应采用水动力学方法进行模拟。水流模拟的边界条件、流域内区间降雨径流以及支流水量,通常通过选择合适的水文模型模拟得到。水文模型建立的难点在于解决无水文站控制地区的降雨径流预报问题,这部分能否很好地解决,对模型求解的精度影响颇大。这部分径流通常受到干流的顶托,考虑用一个线性水库加以调蓄。

在我国应用较多且应用效果较好的是新安江模型,因此本文选择新安江模型进行流域水文模拟。本研究中该模型的蒸散发计算采用三层模型;产流计算采用蓄满产流模型;用自由蓄水库将总径流划分为地表径流、壤中流和地下径流;流域汇流计算采用线性水库;河道汇流采用马斯京根分段连续演算或滞后演算法。

2.2河道水流模拟

描述河道水流运动的基本方程组为圣维南方程组,其基本形式如下:

式中:B为河道水面宽度;Z为河道断面水位;Q为河道断面流量;q为单位河长均匀旁侧入流;α为动量校正系数;A为过水断面面积;K为流量模数;Vx为旁侧入流流速在水流方向上的分量。

由于圣维南方程组是一个复杂的双曲型非线性偏微分方程组,直接求解比较困难。现在一般采用离散求解的方法,本文对圣维南方程组采用四点线性隐格式差分求解[4,5],该方法具有稳定性好,收敛快,节约计算时间的优点。

2.3连接关系模拟

为了充分利用水资源的需要,通常在流域上建立了许多水工建筑物,这些工程措施通过堰、闸以及行洪区的口门等来控制水量、连接河网水系,达到合理利用水资源的目的。因此,对连接关系的模拟至关重要。连接关系的模拟,是通过对这些工程控制模拟来实现的。堰、闸以及行洪区口门的过流流量满足水力学上的堰流公式等,可按水力学方法处理。以宽顶堰为例,其水流流态有自由出流和淹没出流2种形式,分别采用如下公式计算。

自由出流:

$Q=mB\sqrt{2g}{\rm H}{}_0^{3/2}(2)$

淹没出流:

$Q=\phi {}_{m}Bh{}_s\sqrt{2g({\rm Z}{}_1-{\rm Z}{}_2)}(3)$

式中:m为自由出流系数;φm为淹没出流系数;B为堰宽;H0=Z1-Zd;hs=Zs-Zd;Zd为堰顶高;Z1为堰上水位;Z2为堰下水位。

2.4支流水量交换模拟

平原河道纵横交错,结构复杂。进行河道水流模拟时,如果把所有的支流都与干流一样对待,必然会影响计算效率;如果不考虑支流与干流的水量交换,必然会影响水流计算的精度。因此,对平原河道水流进行模拟的时候,要考虑如何模拟支流水量。本文选择调蓄单元法,该方法具有足够的精度,能够满足预报计算的要求[6]。

调蓄单元法把支流概化为一个调蓄单元,通过口门与干流相连(见图2)。调蓄单元的面积用AA表示;调蓄单元的代表水位用ZA表示;干流水位用Zr表示。用AR表示支流的过水断面面积,uR表示支流流速,则支流的流量为:

$Q{}_{\text{支}}=u{}_{R}A{}_R=m\sqrt{2g({\rm Z}{}_A-{\rm Z}{}_r)}A{}_R=\beta ({\rm Z}{}_A-{\rm Z}{}_r)(4)$

式中:$\beta =mA{}_R\sqrt{2g/({\rm Z}{}_A^0-{\rm Z}{}_r^0)}$;m为流速系数;Z${}_A^0$为调蓄单元时段初始水位;Z${}_r^0$为干流的初始水位。

对调蓄单元水量平衡方程差分后,可得:

将其与圣维南方程组的差分方程联立,可以求解得到支流流量的变化过程。当考虑支流的降雨产流条件时,支流流量公式表达为:

式中:QF为支流的降雨产流量。

在求出干流的水位后,可回代得到调蓄单元的代表水位为:

2.5节点水位方程

通过上述分析,求解堰、闸等的流量以及每个断面的水位和流量,需要知道节点水位。因此,必须建立节点水位方程。建立未知水位的方程的基本原理是水量平衡方程。对河道节点,建立如下水量平衡方程为:

式中:∑Qi表示进出i节点的流量代数之和;A为节点水面面积,当A=0时,称为无调蓄节点。

把流量与节点水位关系式代入方程式(8)中,可以得到与节点i相邻的节点水位为未知变量的线性代数方程fi(Zi,j=0),其中Zi,j为与节点i相邻节点水位的集合。对河道每一个节点,建立上述节点水位方程,形成以河道节点水位为基本未知变量的线性代数方程组[7]。该方程组是一个带状稀疏方程组,为了提高计算效率和通用性,可以选择矩阵标识法。该方法适合大型河网模拟计算,克服了以往方法依赖节点编码优化的缺陷,具有使用内存省,计算效率高,节点编码任意,可扩充性、可移植性好和通用性强等优点[8]。

3应用实例

为了验证模型的可靠性,以曹娥江流域为试验区,进行验证计算。图3为该流域示意图。曹娥江位于浙江省绍兴市,主流澄潭江,发源于金华市磐安县尖公岭。河道全长197 km,流域面积6 046 km2,在尖山河湾注入钱塘江河口段。研究河段从花山到桑盆殿,花山以下为感潮河段,花山以上为山区性地区。

根据构建的模型特点,模型计算的流程为:首先应用降雨径流模型计算花山站的流量过程及花山到桑盆殿之间的区间产流,汇流用水力学方法计算,为河道洪水演算水力学模型提供上边界;下边界条件采用实测的桑盆殿水位过程。将以上边界条件代入河道洪水演算水力学模型中,可以得到桑盆殿至花山沿程各计算断面的水位流量过程,本文选取上浦闸实测水位与计算水位进行模型检验。

选取上浦闸断面1995-2000年9场次洪水,进行预报计算,计算成果如表1所示。从表1可以看出,实测最高水位与计算最高水位之差的绝对值在0.02～0.52 m之间,绝大多数在0.02～0.22 m之间,只有19970818和19990609两场次的误差稍大,9场次洪水模拟的确定系数在0.83～0.97之间,模拟结果比较好。上浦闸断面洪水模拟过程线(选取19990609和20000709两场次洪水)如图4所示。从图4可见,计算与实测吻合良好。

4结语

(1)采用三水源新安江模型模拟河道洪水演进的边界条件,通过差分求解圣维南方程组的方法解决洪水演进问题,通过连接关系模拟,构建了洪水模拟水文水力学耦合模型,其模拟精度令人满意。该模型对平原地区的防洪规划与河道整治具有重要的实用价值。

(2)为了更好地反映实际情况,可对行洪区的水流进行二维模拟;进一步增强模型的实时校正功能以及水文学模型与水力学模型接口耦合的问题。

(3)限于时间和资料问题,本模型只在研究区域进行了验证研究,对于不同区域,不同下垫面条件,模型可相应的做一些调整,因此有待进行深入研究。

摘要：针对传统水文学方法模拟平原地区复杂水流精度不高的缺点,构造了水文水力学耦合模型。该模型采用差分算法求解圣维南方程组进行洪水演算,通过水文模型模拟其边界条件,实现水文学模型与水力学模型的耦合,并结合区域连接关系模拟,实现全流域耦合求解。模型应用于曹娥江流域花山至桑盆殿河段洪水模拟,结果表明:计算水位与实测水位吻合良好,具有较高的计算精度。

关键词：平原地区,洪水模拟,水文水力学耦合模型

参考文献

[1]何书会,杨慧英,杨艳玲.水文及水力学数学模型[J].河北水利水电技术,2003,(1):24-26.

[2]李光炽.流域洪水模拟通用模型结构研究[J].河海大学学报(自然科学版),2005,33(1):14-17.

[3]李光炽,王船海.流域洪水演进模型通用算法研究[J].河海大学学报(自然科学版),2005,33(6):624-628.

[4]王船海,李光炽.流域洪水模拟[J].水利学报,1996,(3):44-50.

[5]吴宏旭,诸裕良,童朝峰.河网数学模型在水环境治理中的应用[J].中国农村水利水电,2010,(5):65-68.

[6]李光炽,周晶晏.平原河道支流水量交换数值模拟方法[J].水利水运工程学报,2005,(2):23-27.

[7]张真奇,夏自强.洪水预报水文水力学模型研究[J].河海大学学报(自然科学版),2002,30(5):83-86.

梯形消力池水力计算与应用实例 篇3

常见消能工一般分为下降式、消力槛式、综合式消能池和辅助消能工。

(1) 下降式消力池为降低护坦高程形成的消力池, 用以加大尾水深度, 促使下泄急流在池中产生底流式水跃。 (2) 消力槛式为在护坦上 (一般在末端) 设置消力槛而形成的消力池, 多用于水跃淹没度略感不足, 或开挖消力池有困难的情况。 (3) 综合式为既降低护坦高度又设置消力槛而形成的消力池, 多用于尾水深度与第二共挑水深相差较大的情况。当消能率不满足设计要求时, 可在消力池内增加趾墩和消能墩等辅助消能措施。文章重点论述中小型消能设施中最常用的下降式消能工。并且通过工程实例论述梯形消力池的水力计算过程与工程优点。

2 梯形断面消力池水力计算基本理论与方法

消力池水力计算核心问题是计算跃前与跃后水深。跃前收缩断面水深计算公式简单, 但也需迭代计算。文章重点说明跃后水深计算理论与方法。

根据水力学计算基本原理, 取跃前、跃后断面之间的水体为控制体, 沿流动方向建立动量方程:

通过上式, 代入跃前水深即可求出跃后水深。需要特别注意的是h1和h2均为各自断面形心处水深。对于梯形, 形心计算公式:

对于梯形断面共轭 (跃后) 水深的计算有滕凯等学者提出近似计算方法, 也有张小林等学者提出梯形断面渠道共轭水深的计算利用牛顿迭代法推出一种共轭水深的计算方法[2], 给出初值经验公式, 一次迭代满足精度要求。文章认为, 不管近似计算方法的研究还是迭代计算的研究固然是好的, 有益于设计使用。但是在计算机辅助设计的条件下, 迭代计算很容易通过软件实现, 而且精度较高。文章采用最常用的Microsoft Excel软件, 其中“单变量求解”功能便可很方便解决迭代计算问题。

3 梯形断面消力池应用实例

乌拉斯特水库位于新疆北部, 总库容1518万m3, 最大坝高69.3m。工程规模为Ⅲ等中型工程。主要建筑物为挡水大坝、导流洞、放水洞和溢洪道。大坝为沥青混凝土心墙土堆石坝。正常蓄水位1026.00m, 设计洪水位1026.69m, 校核洪水位1027.79m。

乌拉斯特水库泄洪洞设计泄洪流量为60m3/s, 设计消力池底宽为6m, 设计边坡为1:1, 上游总水头为17.8m。根据以上资料计算梯形断面跃后水深hc"。

水力计算过程为首先计算收缩水深hc, 计算公式为:

式中:E0-以收缩断面底部为基准面的泄水建筑物上游总水头, m;hc-收缩断面水深, m;φ-流速系数;AC-收缩断面面积, m2。特别指出, 此处的收缩断面为梯形断面。

收缩水深的计算需要迭代计算, 文章采用计算机辅助计算。“单变量求解”功能可设置最多迭代计算次数和最大误差。文章设置迭代次数100, 最大误差0.001 (因1mm误差完全可以满足本工程精度要求) 。代入参数计算得收缩水深hc=0.468m。

其次, 根据hc计算跃前断面形心处水深h1和跃后断面形心处水深h2。将计算结果代入动量方程。同样采用“单变量求解”功能便可求得跃后水深hc"=5.019m。 (若采用矩形断面消力池, 计算得跃后水深为6.174m。) 水力计算结果详见表1。经结构计算, 设计消力池横断面见图1、图2。

4 梯形断面消力池的优点

梯形断面消力池相较于矩形断面消力池, 优点主要有以下三点。

第一, 相同工况条件下, 梯形断面共轭水深比矩形断面小。共轭水深小即可减少基础开挖量和混凝土工程量。文章工程实例计算梯形消力池共轭水深为5.019m, 而相同工况计算矩形消力池共轭水深为6.174m, 两者相差1.155m。如果采用矩形断面消力池设计, 边墙一般需设计重力式或扶壁式挡土墙。即使采用较节省的扶壁式挡土墙, 基础开挖也要预留出挡土墙基础宽度和模板安装空间。假设采用重力式挡土墙, 按照0.3的墙后边坡设计, 0.8m墙顶宽度, 再加0.8m墙后趾。挡土墙基础宽度必须3.5m以上, 基础开挖与混凝土工程量均较大。如果采用梯形断面消力池设计, 则可采用1:1左右的贴坡式混凝土护坡, 文章工程实例采用底部0.6m顶部0.3m钢筋混凝土护坡。两方案对比详见表2。

第二, 矩形断面消力池边坡一般采用挡土墙型式, 重力式和扶壁式挡土墙均需验算稳定性。另外扶壁式挡土墙虽然节约混凝土工程量, 但是有较复杂的配筋计算和增加钢筋用量, 施工复杂而且不经济。梯形断面消力池护坡型式仅需简单验算护坡厚度和构造配筋即可。当设计较缓边坡时还可不架设模板, 施工方便。

第三, 梯形断面消力池与下游梯形渠道可以直接连接, 省去了矩形断面与下游泄水渠梯形断面之间的扭面衔接段。扭面一般设计为浆砌石, 在目前人工费昂贵的条件下, 施工单位基于经济效益考虑, 尽量避免采用人工工时较多的浆砌石施工方案。

5 结束语

梯形断面消力池水力计算原理简单, 但是需要迭代计算。如今在计算机辅助计算的条件下, 运用适当软件或者通过编程, 很容易解决计算问题。文章通过梯形断面消力池与矩形断面消力池设计方案的对比, 可以明显看出前者从开挖工程量、混凝土工程量、总造价等各方面优势明显。理论分析有很多文献可以查阅, 而实际工程中积极将先进理论转化为工程应用的不多。特别是现行水闸规范没有明确计算方法, 使得该技术应用受到限制。因循守旧的设计思路始终阻碍科技创新。希望文章有益于水利工作者的设计和施工。

2015年6月29日施工场地发生暴雨, 泄洪洞泄洪流量约为70m3/s, 与设计流量相近。通过现场查看, 共轭水深距离消力池边墙顶部仍有足够超高, 护坡混凝土没有破坏。因此, 通过实际运行情况来看, 梯形断面消力池设计方案工程效果良好。

摘要：梯形断面消力池具有基础开挖工程量小、避免高挡土墙、施工简单等优点。对于降低中小型工程施工难度, 节约工程投资具有实际意义。目前相关规范并无梯形断面水跃详细计算说明, 而以往资料论述的计算方法落后。研究梯形断面消力池水力学计算可有助于优化工程设计。

关键词：水力学,消能计算,消力池

参考文献

[1]吴持恭.水力学[M].第四版.高等教育出版社, 2008.

水文与水力计算 篇4

关键词：蒸汽管网,水力计算,经济比摩阻

引言

蒸汽是各类工业部门生产过程中的主要能源和辅助工艺物流,具有易于传输、热容量大、无毒、无污染、安全、价廉等优点。百余年来,蒸汽被广泛用于炼油、化工、区域集中供热等各个领域[1]。蒸汽供热管网系统随着企业规模的扩大同步扩建、改建,经历了由小规模到大规模的热负荷逐渐增加的趋势。由于落后的检测系统,操作人员无法获取正确的运行参数,负荷调整随意性大,出现了局部不热、水力失调等问题,造成能源浪费和经济损失。

蒸汽管网水力模拟计算是以管段压降计算公式和节点流量连续方程为基础进行的。以节点连续方程为基础,把方程中的管段流量通过管段压降计算公式,转化为用管段两端的节点压力表示,使连续方程转化为满足压力变化的方程,通过求解方程得到各节点压力[2]。在此基础上,编制了蒸汽供热管网水力计算软件1、2和3,以某现有蒸汽供热管网为例进行了计算与分析,在一定程度上实现了对蒸汽供热管网运行的预测及监控,为蒸汽供热管网的改造和扩建提供了理论依据。

1 计算模型

管网系统中,管道直径和蒸汽流量都没有发生变化的一段管路称为计算管段。水力计算是以计算管段为单元从寻找主干线(平均比摩阻最小)开始的。

1.1 流体的总阻力损失计算式

(1)

式中:Δp—计算管段的阻力损失;Δpy—计算管段的沿程阻力损失;Δpj—计算管段的局部阻力损失;Δpg—计算管段由于高度差引起的阻力损失。

1.2 沿程阻力损失

流体在管段内的沿程阻力损失Δpy与管段长度L成正比,其比例系数为比摩阻R,即:

(2)

式中:Δpy—计算管段的沿程阻力损失;R—单位长度的沿程阻力,又称比摩阻;L—计算管段的长度。

根据流体力学计算,比摩阻R计算式为:

undefined

式中:λ—流体管内流动的摩擦系数;d—管道内径;ρ—管道内流体的密度;K—蒸汽管道绝对粗糙度;G—流体的质量流量。

1.3 局部阻力计算

为了简便计算,可近似认为局部损失集中在管道的某一横截面上。

局部阻力损失为:

undefined

式中:ζ—管段构件的局部阻力系数;Ld—管段局部阻力当量长度,undefined。

1.4 高度差引起的阻力变化

(5)

式中:Δh—高度差。

2 软件的编制

蒸汽供热管网水力计算软件1:

根据已知的各热用户所需要的流量、压力和供热管网的实际分布情况,计算出热源压力和流量。该软件适用于供热管网需要随热用户的需求调整热源参数的情况[3]。

蒸汽供热管网水力计算软件2:

已知热源参数、各热用户的流量和供热管网的实际分布情况,计算出供热介质到达热用户时的压力。该软件适用于供热管网热用户端配有流量计量表的情况。

蒸汽供热管网水力计算软件3:

根据已知的热源压力、流量和供热管网的实际分布情况,计算出供热介质到达各热用户时的压力和流量。该软件适用于供热管网无计量仪表或计量仪表不全的情况。

三个蒸汽供热管网水力计算软件具有较好的通用性,可以计算出任意管线的不同工况,并且界面友好。

三个软件均由程序输入模块、程序流程控制模块、公共函数模块、饱和蒸汽表查询模块、查找计算当量长度模块、数据输出模块组成[4]。

以软件2(2与3相同)为例,介绍程序流程图。软件1的流程与2正好相反。

2.1 单管段迭代计算

已知单管段始端的流量、压力参数,求末端的压力PB,求解迭代过程如图1所示。其中,PB=PA-R(L+Ld)-∑ρgΔh,PA>PB。

2.2 多管段计算程序

以单管段迭代计算为基础,从热源向各热用户传输蒸汽,前一管段的末端压力值作为后一管段的始端压力值,得到各个用户的计算参数,程序流程图如图2所示[5]。

2.3 增加和删除管段的处理

在原管段基础上添加新用户,分两种情况:

(1)在原有管线的节点上添加新用户。在原有编号基础上继续编号,再向管段信息数据库中追加管段号信息,修改管路调用管段号码数据库。

(2)在非原有节点上添加新用户。需修改以下数据库中内容:去处增加节点的管段编号,对新增节点前后的管段及新管段重新编号,更改管段号信息数据。

这样,程序会按照新的数据信息进行计算。删除管段可以参考增加管段的方法,是其逆过程。

3 计算结果与分析

某现有蒸汽供热管网中的一条管线分布如图3所示。

已知各个热用户所需的压力和流量,使用软件1,依次迭代计算得到最小压力值作为热源的初始压力,对应的热用户为热负荷最不利用户,各个热用户的流量总和作为热源的初始流量;将得到的初始压力和流量值代入软件2计算,验证最不利用户吻合;在软件3中代入初始参数,模拟当管网仪表不足,流量按照管段实际截面函数关系分配,得到相应计算结果。7种工况的计算结果如表1所示。

注:表中A—蒸汽供热管网水力计算软件1;B—蒸汽供热管网水力计算软件2;C—蒸汽供热管网水力计算软件3;P—热用户蒸汽压力,bar;G—热用户蒸汽流量,t/h;Gt—热源蒸汽总流量,t/h;Ps—热源蒸汽压力,bar;RJ—经济比摩阻,MPa/km;Vmax—管网最大流速,m/s。

管路中的比摩阻[6]可用式(6)求解:

(6)

式中:ΔP—热网主干线始端与末端的蒸汽压力差;∑L—主干线长度;α—局部阻力所占比例系数,取0.5。

根据经济比摩阻的范围(0.06～0.12MPa/km),该例中的第2、3、4、7种工况为较佳运行工况。而第1、6种工况的平均比摩阻较大,第5种工况的平均比摩阻较小,均超出了经济比摩阻的范围,在实际运行中应避免出现此类工况。

当管道中流体速度过高,达到40～45m/s时,会产生噪音和冲蚀,特别是蒸汽带水时更严重。该例中的第2、4种工况为较佳运行工况,而第1、3、6、7种工况的流速较大,第5种工况的流速较小,在实际运行中应避免出现此类工况。

在算例中,5#热用户为热负荷最不利热用户。在满足该用户热负荷的情况下,其余各用户都有过余热量,特别是3#热用户,富余压力,浪费热量。改造管网时,在热量富余量较大的热用户(3#热用户)管线走向上添加新的热用户可以利用富余热量,节约能源。

4 结论

以节点连续方程为基础对蒸汽供热管网进行了水力模拟计算,编制了三个蒸汽供热管网水力计算软件,并以某现有管网为例进行了计算与分析,得到如下结论:

(1)7种运行工况中,经济比摩阻较佳的运行工况为第2、3、4、7种工况;蒸汽流速较佳的运行工况为第2、4种工况;综合运行性能较佳的运行工况为第2、4种工况。

(2)5#热用户为热负荷最不利热用户。在满足该用户热负荷的情况下,其余各用户都有过余热量。改造管网时,在热量富余量较大的热用户(3#热用户)管线走向上添加新的热用户可以节约能源。

在模拟计算时,以平均比摩阻作为工况运行的评价指标,为实际运行提供预测和指导。对不在经济比摩阻范围之内的工况,应调整热用户的运行参数,或者选用其他管线,以减少阻力损失,节约能源。

参考文献

[1]陈志奎,曹雁青.智能监测技术在蒸汽管网系统中的应用[J].区域供热,2005,(4):4-13,38.

[2]田贯三,刘燕,江亿.燃气管网水力计算研究[J].哈尔滨工业大学学报,2003,(7):769-772.

[3]赵家军,陈贵军,刘晓华,等.蒸汽供热管网运行工况的水力模拟计算与软件编制[J].节能,2006,(9):34-35.

[4]郭勇,胡三.区域供热管网仿真软件的开发[J].现代电力,2001,(3):12-18.

[5]Bialecki,Ryszard A.Kruczek,Tadeusz.Frictional,diather-mal flow of steamin a pipeline[J].Chemical Engineering Science,51(19).

水文与水力计算 篇5

关键词：Sisko模型,钻井水力学,压耗计算,有效管径,分析评价

随着HTHP深井、复杂结构井及深水钻井的不断增多, 特别是随着控压钻井技术的实施与推广, 对水力计算精度要求也不断提高。水力计算的重点之一即为选取合适的流变模式描述非牛顿流体流变特性, 前人提出了众多流变模型, 但没有一种流变模型能够在全剪切速率下准确描述所有非牛顿流体流变特性[1], 应用最为广泛的有宾汉、幂律模型, 卡森、赫-巴及罗伯逊-斯蒂夫模式也在工业领域有了一定的应用[1—11]。Weir等运用大量现场流体流变数据对现有常用流变模型进行了流变性分析, 认为Sisko模型能够更为准确的描述不同流体流变特性[12,13]。但对该模型流体在管内、环空中的水力参数分析很少进行研究, 缺乏配套的水力参数计算方法。为此, 本文将Metzner和Reed提出的广义流性指数扩展应用到该流变模型, 并通过理论推导定义了适用于该模型环空流动的环空广义流性指数及广义有效管径, 从而建立了该模型的水力计算方法, 并做了验证。

1 Sisko流变模型

1958年, Sisko提出了用于描述油脂流变特性的Sisko模型, 其本构方程如下[14]

式 (1) 中, τ为剪切应力 (Pa) ;γ为剪切速率 (s-1) ;a为稠度系数 (Pa·s) ;b为稠度系数 (Pa·s) ;c为流性指数 (无因次) 。

由式 (1) 可知, 其表观黏度为μa=τ/γ=a+bγc-1, 多数钻井流体均为假塑性流体 (c<1) , 当γ增大时, 表观黏度随之减小, 表达了流体的剪切稀释特点, 当γ趋于无穷时, μa趋近于a, 说明该模式能够很好地表达多数流体具有极限黏度的特点。

2 水力计算模型

2.1 管壁剪切应力与剪切速率

2.1.1 圆管流量方程

Herzog和Weiseenberg给出了描述与时间无关的流体的稳定圆管流动流量和管壁切应力关系的通用圆管流量方程[15]

式 (2) 中, Q为管流流量 (m3/s) ;R为圆管半径 (m) ;τw为管壁剪切应力 (Pa) ;τ为剪切应力 (Pa) ;γ为剪切速率 (s-1) 。

将式 (1) 带入式 (2) 可得Sisko模式管流流量方程如式 (3) 所示。

式 (3) 中, γw为管壁剪切速率 (s-1) ;τ为剪切应力 (Pa) ;γ为剪切速率 (s-1) 。

2.1.2 环空流量方程

基于槽流模型, 设外管内径为Ro, 内管外径为Ri。如图1所示, 在速梯区中, 取一段长度为L的环形液流来研究, 其内径为、外径为, 厚度为dr。设速梯区内r处流速为u, 则环空流量可表示为:

环空流动中有, 同时基于壁面无滑移条件, 则式 (4) 可写为

将式 (1) 带入式 (5) 可得Sisko模型环空流量计算式如下

在已知流量情况下, 式 (3) 及式 (6) 可运用数值解法求取管壁处剪切应力及剪切速率, 为后续计算提供基础参数。

2.2 广义流性指数

2.2.1 管流广义流性指数

Metzner和Reed于1955年在Rabinowitsh-Mooney方程的基础上定义了管流广义流性指数, 定义式如式 (7) [16]。

式 (7) 中, n'p为管流广义流性指数, 无因次;v为平均流速 (m/s) ;D为圆管直径 (m) 。

基于广义流性指数n'p, Rabinowitsh-Mooney方程可表示为如式 (8) 形式。

式 (8) 中, γw, p为圆管壁面剪切速率 (s-1) 。

2.2.2 环空广义流性指数

Kelessidis等给出了同心环空牛顿流体管壁处剪切速率如式 (9) 所示[17]。

式 (9) 中, γw, a, n为牛顿流体环空壁面剪切速率 (s-1) ;Dhy为环空水力直径, 2 (Ro-Ri) (m) 。

Rabinowitsh和Mooney在管流流动分析中引入了管流特性参数8v/D, 使得管流流动分析得以简化, 因而在此将式 (9) 重写为γw, a, n=8v/ (2/3Dhy) , 进而将其表示为牛顿流体圆管壁面剪切速率的形式。同心环空体积流量还可表示为如式 (10) 。

将式 (5) 、式 (10) 合并, 可得式 (11) 。

由式 (11) 可以看出, 环空管壁处剪切速率与剪切应力均与牛顿流体环空壁面剪切速率有关, 式 (11) 两边对τw求导并整理可得如下形式:

式 (12) 中, γw, a为环空壁面剪切速率 (s-1) 。

式 (12) 即为流体环空管壁剪切速率, 在此定义该流体环空广义流性指数如下:

式 (13) 中, n'a为环空广义流性指数, 无因次。

引入广义流性指数后, 式 (12) 可简化为如下形式

2.2.3 广义流性指数解法

以上引入了Metzner和Reed定义的n'p分析Sisko流体管流, 并通过理论分析定义了Sisko的环空流动广义流性指数n'a, 但Metzner和Reed对幂律流体进行管流流动分析时运用没有给出n'的简便求解方法, 只是建议通过毛细管黏度计求得其值[16], 如何求解其值成为成功运用该方法分析Sisko流体流动的关键。

由式 (8) 及式 (14) 可看出广义流性指数是管壁剪切速率γw、平均流速v及流道尺寸的函数。同时由式 (3) 、式 (6) 可知流量Q是管壁剪切速率γw、剪切应力τw的函数, 则在已知流变参数 (a、b、c) 、流量Q的情况下, 可联合式 (1) 、式 (3) 及式 (6) 通过数值方法求解得到管壁剪切速率γw, 进而根据式 (8) 、式 (14) 求解得到广义流性指数, 为后续水力参数分析与计算提供关键参数。

2.3 广义有效管径

Reed和Pilehvari在式 (8) 基础上为了能将幂律流体管壁剪切速率表示成为牛顿流体剪切速率的形式, 定义了管流有效管径如下[18]:

式 (15) 中, Deff, p为圆管有效管径 (m) 。

如前所述, 基于管流流量方程式 (3) 得到可求得Sisko模型的广义流性指数, 故可将该有效管径扩展应用到Sisko流体管流流动分析中。

在笔者定义的Sisko流体环空广义流性指数n'a及式 (14) 基础上, 在此定义Sisko模型环空有效管径如下

式 (16) 中, Deff, a为环空广义有效管径 (m) 。

基于广义有效管径式 (15) 、式 (16) , Sisko模式流体管内及环空管壁剪切速率均可表示为如式 (17) 。

2.4 广义雷诺数

稳定层流流动范宁阻力系数定义为f=2τw/ρv2, 基于动力平衡原理圆管及环空管壁剪切应力可由式 (18) 表示。

式 (18) 中, Δp为流动压耗 (Pa) 。

将式 (18) 带入范宁阻力系数定义式, 即f=2τw/ρv2, 对于Sisko流体。参照牛顿流体圆管层流f=16/Re, 则可得Sisko流体广义雷诺数如下

式 (19) 中, Reg, p为管流广义雷诺数, 无因次;Reg, a为环空广义雷诺数 (无因次) 。

管壁处表观黏度μw, app=τw/γw, 随后即可将式 (19) 写成式 (20) 。

如前所述通过广义有效管径Deff、广义雷诺数Reg, 可将Sisko模式流体圆管、环空流动与牛顿流体管流流动联系在一起, 进而建立统一的压耗计算模型。

2.5 流态转变

计算临界雷诺数公式为[19]:

式 (21) 中, Rec L为层流临界雷诺数, 无因次;Rec T为紊流临界雷诺数, 无因次。

2.6 压耗计算

如前所述, 层流范宁阻力系数可由式 (22) 计算得出

式 (22) 中, f为范宁阻力系数 (无因次) 。

紊流范宁阻力系数计算公式较多, 本文基于Metzner和Reed广义流性指数基础长对Sisko模型进行了扩展应用, 因而采用Dodge和Metzner给出的经验公式计算光滑管范宁阻力系数[20]

运用Reed和Pilehvari给出的经验公式计算粗糙管紊流阻力系数[18]

式 (23b) 中, ε为管壁绝对粗糙度 (m) 。

则压降计算公式为

3 实例验证

3.1 数据来源

选取了两份文献中的实验数据来验证水力计算模型精度, 第一份为1995年Subramanian给出的实验数据, 其在实验过程中分别测量了不同类型流体在光滑管、粗糙管及环空中流动压降[21]。图2给出了其中两组较为典型的钻井液流变性拟合结果, 同时给出了两组钻井液Sisko流变参数。由图2中可以看出, Sisko模式能够很好地描述不同钻井液在低、中、高剪切速率下的流变性能。第二份实验数据来自文献[22], 该实验通过Louisiana State大学一口1 828.8m的实验井测得, 给出了多种钻井液在不同尺寸井眼中流动压降。运用以上数据对文中提出Sisko水力计算模型准确性进行了验证。

3.2 结果分析

图3给出了第一份实验数据中No.1及No.3钻井液管流压耗对比结果, 计算过程中采用3.1部分给出Sisko的流变参数。图3同时给出了文献中运用宾汉模型、幂律模型的预测结果, 由图3中可以看出无论是光滑管与粗糙管, Sisko水力计算模型压降计算结果与实测数据都吻合的很好, 说明文中给出模型计算精度较高。图3 (a) 为1号钻井液在光滑管中对比结果, 图中可以看出采用文中给出水力计算模型预测结果精度最高, 幂律模型次之, 宾汉模型预测结果误差最大;图3 (b) 为3号钻井液在粗糙管中对比结果, 宾汉与幂律模型预测结果在低排量时预测精度较好, 随着排量的增大误差增大。综合分析, 文献记载数据与实测数据存在误差可能由于宾汉、幂律模型不能很好的在全剪切速率下描述流体流变特性引起。

图4给出了No.1及No.3钻井液在同心环空中流动压降对比结果, 同样采用3.1节部分给出Sisko流变参数, 由图中可以看出通过引入广义流性指数定义环空有效管径, 将Sisko流体环空流动与牛顿流体管流相联系建立的压耗计算模型与实测数据吻合效果很好, 宾汉、幂律模型预测结果误差较高, 表明该模型具有较高的计算精度。

图5是来自第二份实验数据的验证对比, 数据于1.315 in×2.441 in (1 in=0.025 4 m) 井筒中测得, 图中垂直竖线给出了API标准模型 (宾汉、幂律模型) 六组预测数据中的最大与最小值, 在计算过程中对宾汉、幂律模型分别采用了三种当量直径算法进行压耗计算。由预测结果可以看出对于不同流变模型、不同当量直径计算方法, 没有一种方法能够对不同流体的环空流动压耗进行很好地预测。本文通过理论分析定义了适用于该模型的广义雷诺数及广义有效管径, 计算结果与实测数据吻合效果非常好, 说明该水力计算模型能够为工程操作中提供较高精度的水力参数分析。

4 结论

水文与水力计算 篇6

船舶静水力的计算和绘制是船舶设计的一个重要过程,传统方法是用Excel表格进行计算,因为数据处理量较大,过程比较繁琐。随着计算机技术不断发展,船舶行业已广泛使用计算机进行船舶设计。本文采用Matlab程序编写相关的应用程序,只要引入船舶原始计算数据,通过程序的运行方式,可以得到静水力曲线计算结果和绘制的曲线,具有较好的实用性。

本文的程序设计是按设计技术任务书要求进行的。设计的目的在于:通过程序的运行能自动完成静水力曲线的计算、必要绘图环境的设置、以及计算结果的输出等,参数化应用程序设计的过程,主要分为如下5大步骤:(1)开发环境的设置。(2)船舶原始型值的读取。(3)静水力曲线的计算。(4)图形的绘制。 (5)结果的输出。

1数值积分方法

船体的型表面是一个空间三维曲面,很难精确的用某一个函数表达出来,同样船体外表面的型线也是一根复杂的曲线,所以通常采用近似计算方法进行求解,常用的近似计算方法有梯形法、辛普生法等。梯形法因为简单明了,易于实现而被广泛使用,本文下面选用梯形法作为数值积分方法。

设某一计算曲线DB(见图1),曲线DB下所围面积A,其定积分式为:

利用梯形法求曲线DB下所围面积, 就是将曲线DB分为若干等分,故曲线DB下所围面积为:

2船舶静水力曲线的计算

将船舶静水力曲线分为2组:浮性参数曲线、初稳性参数曲线及船型系数参数曲线。

2.1浮性参数曲线

浮性参数曲线包括:水线面面积Aw、漂心的纵向坐标xF、不同吃水下排水体积▽及排水量 Δ、每厘米吃水吨数TPC、浮心纵向坐标XB、浮心垂向坐标ZB。 运用Matlab计算的流程图,如图2所示。

2.2初稳性参数曲线

初稳性参数曲线包括:横稳心半径、纵稳心半径、每厘米纵倾力矩MTC。运用Matlab计算的流程图,如图3所示。

2.3船型系数参数曲线

船型系数参数曲线包括:水线面系数CWP、方形系数CB、中横剖面系数CM、棱形系数CP。

3数据准备

在静水力性能计算时,基本的数据源是型值点数据,可用文本编辑器(.txt)或excel电子表格作为数据载体(.xls),然后导入Matlab中去。为了加强数据的可编辑性,一般使用excel作为数据载体。

4算例及结果讨论

本文选取了一艘江海直达散货船为例,运行程序后直接生成该船的静水力曲线图,如图4所示。

5结论

本文论述的船舶静水力曲线的计算方法采用Matlab编辑实现自动计算静水力参数曲线及绘图。本文论述的方法具备较好的通用性,不同船舶的静水力计算仅仅是数据源的差别。通过对计算结果的绘图处理提供了数据的可视化功能,另外对结果的处理更加方便快捷。

摘要：文章介绍了一种基于Matlab的船舶静水力曲线的计算方法,程序可以自动读取船舶的型值表实现静水力曲线的计算和绘制。以某实船为例,精确计算船舶各静水力曲线参数并对结果进行分析。