基于流体振荡理论的给水管道堵塞模拟研究

摘要

给水管道随着使用时间的增加，不可避免地出现堵塞现象。管道堵塞不仅会影响管道正常工作状态，降低管道系统的工作效率，而且还会破坏供水水质，给城市居民的身体健康带来危害。同时堵塞会引起管道内压力上升，一旦管内压力超过管道所能承受的荷载，便会引起管道漏失，甚至爆管，不仅导致水资源流失，而且会严重威胁人民的生命财产安全。因此对给水管道堵塞检测的研究具有重要意义。
　　本课题应用流体振荡理论，针对给水管道中的两类堵塞，即由微生物大量繁殖、化学腐蚀及沉淀等引起有一定尺度的堵塞和由管道中阀门未完全开启引起的堵塞，根据给水管道的结构特点，提出适于堵塞检测的数值模拟简化模型。分别以强迫振荡和自由振荡作为激励，分析管道系统的响应特性，从而判断管道的堵塞状况，即判断堵塞位置和堵塞量级。
　　针对单管系统中有一定尺度的堵塞，本文应用基于强迫振荡的水力阻抗法，通过对系统施加周期性的扰动流量，分析测点处脉动压力振幅随扰动流量频率的变化特性来检测堵塞，归纳出确定单管系统中堵塞位置的计算公式，并通过改变管道的总长及管径验证了该公式的正确性及适用性。当管道堵塞位置确定后，可根据相对脉动压力频率响应曲线的波峰包络线的波峰和波谷之差来确定堵塞量。应用Fortran语言编程，对给水管道中不同堵塞位置、不同堵塞量的各种情况进行数值模拟。
　　在自由振荡方法中，引入迪拉克函数，建立了包含阀门开启状态的管道瞬变流控制方程，在特定的边界条件下，求出以傅立叶级数形式表示的解析解，对其进行傅立叶级数分析，得到各谐波在各相对周期中的振幅，由此可计算出各谐波的衰减指数；已知两个谐波的阀门堵塞衰减参数就可以确定阀门位置和阀门开启状态。通过C++语言编程数值模拟阀门位置和阀门开启状态。
　　本文将有压瞬变流理论与振动理论相结合，分析了水力系统中流体的振荡，对给水管道的堵塞定位及定量的精确性高，计算所需时间少，对于实际给水管道堵塞的检测具有一定的参考价值。

目录

基于流体振荡理论的给水管道堵塞模拟研究

RESEARCH AND SIMULATION OFBLOCKAGE IN WATER-SUPPLYPIPELINES BASED ON FLUIDOSCILLATION THEORY

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 给水管道堵塞的原因及后果

1.3 国内外堵塞检测方法的研究综述

1.4 本课题研究的主要内容

第2章 水力系统中的流体振荡理论

2.1 有压瞬变流理论

2.2 流体振荡理论

2.3 水力阻抗法

2.4 振荡流体的频率响应分析

2.5 本章小结

第3章 应用强迫振荡检测给水管道的堵塞

3.1 单管系统堵塞的模型

3.2 单管系统的堵塞检测

3.3 本章小结

第4章 应用自由振荡检测给水管道中阀门的开启状态

4.1 单管堵塞模型及控制方程

4.2 在固定边界条件下求解析解

4.3 傅立叶级数分析

4.4 堵塞检测及算例分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

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