【正文】 力瞬變足以嚴重到造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或性能上的破壞。 II Abstract In pipeline system， water hammer is one sort of unsteady flow problem caused by some reason, which is of great importance. And water hammer brings about some badly hydraulic transient phenomena that can lead to damage of system39。s operation prehensively and indepth. Computer emulation right achieves this purpose. Hereby, to begin with, in this paper we develop the pipe work39。然后，根據(jù)所建立的模型，采用節(jié)點分析法進行管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)分析，采用特征線法進行水擊分析，進而采用牛頓一拉夫遜法求解穩(wěn)態(tài)和水擊仿真非線性方程組。但是，在密閉的管路系統(tǒng)中，往往由于流體速度的突然改變，引起壓力的急劇升降，當升降的壓力波波前通過管路時，產(chǎn)生一種聲音，猶如用錘子敲擊管子，這就是水擊這個名稱的由來。任何原因引起的流速突然變化，都將產(chǎn)生水擊 (或是增壓，或是減壓 )。 管道輸送的發(fā)展與石 油工業(yè)的發(fā)展密切相關?？v觀國內(nèi)外水擊分析及發(fā)展狀況 [2]，具有如下特點： 2 密閉輸油工藝較之開式輸送具有較大的優(yōu)點，但采用密閉輸油工藝必須解決水擊帶來的一系列問題。到六十年代后，高速數(shù)字計算機的出現(xiàn)揭開了水擊分析的新紀元。 分析法 分析法是把歐拉微分方程和連續(xù)性微分方程非線性項線性化后進行求解，優(yōu)點是概念清楚，可以直接寫出瞬變過程解的表達式，且求解省時 [3]。 (3)把存在邊界條件 (即水力控制裝置 )的兩條 (或更多 )管路兩端發(fā)生的過程聯(lián)系起來。并且圖解法很費時，對復雜管網(wǎng)中許多可以用數(shù)學方法進行模擬的邊界條件，只有在做了大量的簡化后，才能表示出來。 特征線法使用簡單，邊界條件的數(shù)字描述也較為方便，而且不需要消去基本水擊方程的任何一項。 國外管道仿真軟件公司中，最早介紹到中國的是美國 SSI公司。另外，該軟件含有精確的普通管 3 道設備模型，如球閥、泵、止回閥及調(diào)節(jié)閥。水 TERACTⅡ 人機界面由該公司自行開發(fā)，稱作為 SAMMI（ SSI’S Advanced ManMachine Interface）。 SPS 仿真軟件分為 PC版的 SPS和 UNIX 版的 SPS。 AII American 管道公司使用的 Real Time System（ RTS)公司開發(fā)的離線仿真軟件 LIQNET，作為員工培訓及運行方案制定的工具。 目前，國外正向著在線仿真軟件方向發(fā)展。在線仿真軟件功能全面，使用靈活，是運行管理人員分析、掌握、監(jiān)視管道運行的強有力的工具。但目前國內(nèi)在這方面還很落后，輸油管道密閉率也較低，要想較高水平地設計和管理密閉輸送管線，還必須做更多的工作。 （ 3）進行計算機編程，開發(fā)一套適合輸油管線的通用集成化軟件，具有如下功能： ①密閉輸油管道系統(tǒng)穩(wěn)定性分析； 4 ②密閉輸油管道系統(tǒng)不穩(wěn)定性分析； ③輸油管道系統(tǒng)運行工況分析； ④輸油管道系統(tǒng)事故工況分析； ⑤輸油管道系統(tǒng)設計方案分析。 （ a）種約束 — 系統(tǒng)管子在徑向和軸向都可以自由受力和變形（在軸線上只有一點固定）。 本文只討論牛頓流體的流動方程，不考慮非牛頓流體的情況。 這里介紹兩種計算方法： ColebrookWhite 的公式 （ 28） 為了求得上式中的兄值，必須要利用迭代法求解。例如，管盲端就可以看作一個關了的調(diào)節(jié)閥。不同類型的閥門按照各自的方式消耗壓頭，這不僅取決 于閥本身的機械設計，還取決于關閥步驟。按照這種想法，程序中采用的方法是 :如果已知閥門開度是時間的函數(shù)， KL被定義為閥門開度的函數(shù)，就可以寫出流經(jīng)閥門處的水力壓頭損失方程，并可用作特征線法的邊界條件。 輸油管線中采用的泵多為離心泵，離心泵的特性曲線用下面的方程來表示 : 22 CNB N QAQH ??? (210) 式中： H— 泵揚程； N— 泵的 轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn) /分； Q— 通過泵的流量； A、 B、 C— 相應于每類泵的常數(shù)。 泵的四象限工況見圖 21。 8 圖 21 泵的四象限工況 Figure 21 Quadrant pump condition 泵的全特征曲線（蘇特 (Suter)曲線 ）。見圖 22，其中 θ 可用下式表示： 扭矩 +壓頭 Q +扭矩 壓頭 +扭矩 +壓頭 扭矩 壓頭 P2 區(qū) D3區(qū) T2 區(qū) D4 區(qū) D2 區(qū) +N +扭矩 +壓頭 泵正常工作 P1區(qū) D1 區(qū) +Q 扭矩 +壓頭 N +扭矩 +壓頭 扭矩 +壓頭 +扭矩 壓頭 9 ???????? ?????NNa rc t a n?? (214) 圖 22 WH 和 WT 對 θ 關系曲線 Figure 22 WH and WT curve of θ 這兩條曲線全面地代表了泵在四個象限中工況的復雜而完全的一組特性曲線。因此，如果找不到泵的全特性曲線，就可以從有相同比轉(zhuǎn)速的另一臺泵找到完整的特性曲線 [9]。 泵機組的轉(zhuǎn)動慣量由電機轉(zhuǎn)動慣量 GDm2，水泵慣量 GDp2 和水的轉(zhuǎn)動慣量 GDw2三部分組 額定工況 0 π /2 π 3π /2 2π 10 成，即 222 WPM GDGDGDI ??? (216） 電動機的轉(zhuǎn)動慣量可查閱制造廠的產(chǎn)品樣本，水泵轉(zhuǎn)動慣量由葉輪轉(zhuǎn)動慣量 GD12 和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動慣量 GD22 組成，葉輪轉(zhuǎn)動慣量可用下式表示： ?? 24221 BDGD P? (217) 式中： P? — 葉輪型式系數(shù)，對雙吸式葉輪 ~?P? ，單吸式葉輪 ~?P? ； D2— 泵葉輪外徑； B2— 葉輪出口寬度； p— 葉輪材料密度。 一口井在油井完成和試油之后，將投入生產(chǎn)。 11 圖 23 油氣混合物的重量與油嘴前后的壓力比的關系 Figure 23 The relationship between the weight of oil and gas mixture and the pressure before and after glib 油氣混合物的重量與油嘴前后的壓力比的關系圖見 (圖 2— 3)所示，其中 P1 恒定。 臨界流時： PdRq ? （ 220） 式中： q0— 產(chǎn)油量，噸； d— 油嘴直徑，毫米； R— 油氣比； P1— 油壓，公斤 /厘米 2 。 穩(wěn)態(tài)流動時，管網(wǎng)系統(tǒng)的未知數(shù)為節(jié)點壓力、管元件和非管元件的內(nèi)部流量 [11]，設一個管網(wǎng)有 L 個節(jié)點 (節(jié)點 :即兩個元件的聯(lián)接點 )， M 個管元件， P 個非管元件，則未知數(shù)的個數(shù)為 (L+M+P)個。 Q2 Q1 Qn Q3 14 圖 32 穩(wěn)態(tài)方程組的建立的流程圖 Figure 32 The establishment of steadystate equations of the flow chart I=I+1 節(jié)點是否壓力邊界條件 NO YES 壓力平衡方程，對 未知數(shù)求偏導數(shù) NO I 大于節(jié)點數(shù) IE=0 流量平衡方程，并對未知數(shù)求偏導數(shù) IE=IE+1 元件類型 管 伯努利方程 調(diào)節(jié)閥 泵 其特性方程 泵特性方程 井 井特性方程 站場 其特性方程 單向閥 阻力件 其特性方程 其特性方程 NO IE 大于元件數(shù) 保存結(jié)果 結(jié)束 對未知數(shù)求偏導數(shù) 對未知數(shù)求偏導數(shù) 對未知數(shù)求偏導數(shù) 對未知數(shù)求偏導數(shù) 對未知數(shù)求偏導數(shù) 對未知數(shù)求偏導數(shù) 對未知數(shù)求偏導數(shù) 15 在本文以及軟件中，都以流出節(jié)點的流量為正，流入節(jié)點流量為負。 可以得到 (M 十 P)個元件方程。在求解時，這種方法根據(jù)一定的計算方式不斷地校正并成功地接近其解，具體 的做法是按照每個變量算出它們的解。仔細觀察方程組 (36)可以發(fā)現(xiàn)，矩陣 J 中每行每列中所含非零元很少，這是一個大型不對稱非時變稀疏線性化方程組，對于這種方程組有非常好的方法來求解 [l4]。 當然，這兩條線應與特征線相切，即圖 41上的前向特征線 C+和后向特征線 C。 圖 41 P 的影響區(qū) Figure 41 The P affected zone 現(xiàn)在來研究零時刻產(chǎn)生于 R 區(qū)和 S 區(qū)的那些點 (比如說 X 點和 Y 點 )的擾動發(fā)生了什 么情況。特征線可能是曲線，也可能是直線， 如果特征線上所有點的 v 和 a 都是恒定的，特征線為直線，反之則為曲線 [16]。交于 P 的特征曲線用直線代替，其斜率由前一時間層己知速度決定。為已知量， L， R 點上的未知量 H 和 V 可以用插值法來得 [18]。對于這個問題應當這樣看 :在給定的特征曲線段內(nèi)的，用不著插值總能求 △ x 和 △ t 值。這種方法稱為矩形網(wǎng)格法。這些問題與“未波及段”有關，也就是說與 R， L 點落在網(wǎng)點外的那些點有關，由“未波及段”得到的數(shù)據(jù)影響著 Hp， Vp 的值，這些數(shù)值解是錯誤的，因為擾動沒有足夠的時間到達 P 點。 事實上，對于每一根管，其波速和流程可能是 互不相干的，也就是說，對于給定△ x，每一根管的△ t 可能是不同的。 設管網(wǎng)中有 L 個節(jié)點， M 個管元件， P 個非管元件，管網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)點未知數(shù)為 (L+2M+P)個。唯