基于瞬变反问题分析的阀门工作状态模拟及实验研究

摘要

阀门作为给水管网中的水力调节元件，阀门保持设定的工作状态是管网稳定运行的保证。对于城市复杂的管网系统，阀门较多，又由于其深埋在地下，检修不便。经过长时间的运行，会造成实际工作状态偏离正常设定工作状态的情况，影响阀门的局部流阻系数发生改变，造成管网水力工况的不平衡，影响输水管网的功能要求以及不必要的压头损失。因此寻求一种分析输水管网中阀门实际工作状态的方法十分重要。
　　本文依据实际输水管路建立模拟分析模型和实验研究模型。模拟分析主要以瞬变流理论为依据，采用特征线法求解和MATLAB编程进行计算。在模拟分析与实验研究中，分别对管路中单个阀门在全开状态下，单个阀门处在不同开度状态下和管路中存在多个阀门等工况研究分析。通过模拟分析结果与实验研究结果得出阀门对瞬变流压力波的影响规律，为反问题分析阀门的工作状态提供依据。阀门的存在会造成瞬变流压力波能量的损失，且随着阀门开度的减小，这种波动能量损失的程度增加；此外，阀门也会对瞬变流压力波产生波动干涉的现象，且随着阀门开度的减小，这种波动干涉现象越来越明显。
　　在得到阀门对瞬变流压力波影响规律的基础上，基于反问题分析中的系统辨识理论，以主动产生的瞬变流作为系统的激励，以压力检测点得到的压力值作为系统的响应，以阀门的开度作为系统的待辨识参数。通过对所研究问题的分析，以最小二乘法为理论依据，通过求解压力测量值与计算值的最小值，建立分析管路中阀门工作状态的数学模型，对建立的求解模型分别采用牛顿-拉夫森算法和遗传算法进行分析。将建立的求解方法应用到分析实验管路中阀门的工作状态，求解结果证实了应用瞬变反问题分析方法分析阀门工作状态的可行性。此外，通过对两种优化算法所得的结果进行对比分析可得，遗传算法的搜索空间大，对于多个待求变量的求解精度高，因此对于实际工程中复杂管网的计算更为适用。

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第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2课题研究的目的与意义

1.3国内外研究现状

1.4存在的问题

1.5主要研究内容

第2章 水力瞬变分析基本理论

2.1瞬变流控制方程

2.2求解瞬变流方程的特征线法

2.3边界条件

2.4模拟分析阀门对瞬变流的影响规律

2.5本章小结

第3章 实验研究阀门对瞬变流的影响规律

3.1实验台的改造

3.2实验台的构成

3.3实验操作

3.4实验结果分析

3.5本章小结

第4章 应用瞬变反问题分析检测阀门的工作状态

4.1反问题的分类

4.2反问题分析数学模型的建立

4.3牛顿拉-夫森算法在反问题分析中的应用

4.4遗传算法在反问题分析中的应用

4.5结果分析

4.6本章小结

结论和展望

参考文献

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致谢