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全寿命设备管理的回归分析及应用
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如何为自己的物联网设备选择一款合适的操作系统？
万物联网时代，物联网设备以百花齐放的态势涌向市场，让众多用户体验到互联所带来的智能体验。物联网设备也以开发成本低、开发周期短吸引了一波创业者的目光，从而造就了当前物联网市场百家争鸣的热闹格局。除了硬件设计，摆在创业者面前最直接的问题就是：如何为自己的物联网设备选择一款合适的操作系统？
操作系统对于物联网设备而言，与互联网中的Windows同等重要。然而，为了满足物联网应用的碎片化需求，市面上出现了多种物联网操作系统，这也让设备制造商陷入了选择迷茫，今天我们就带来三家物联网产品设计公司使用Zephyr操作系统的经验，帮助设计者深入了解Zephyr操作系统的优势。
HereO：采用Zephyr OS 控制多个调制解调设备
如今移动互联网用户经常用到的一项功能就是位置分享，而目前大部分位置信息都是由手机提供的，但随着物联网变得越来越容易访问，应用范围越来越广，更多新兴的消费产品能够提供室内和室外位置信息，无论是作为主要服务，还是整个产品的一部分。HereO的团队目标是开发一个软件堆栈，它能够在一个UART端口上运行多个通信设备。
除了技术，开发一款产品最初需要什么？HereO公司规划的产品是儿童手表，手表需要支持3个UART设备：
l GPS：生成室外位置读取;
l 调制解调器：用于传输数据和支持蜂窝三角测量;
l WiFi：支持室内位置读取;
硬件架构设计
该项目的处理器是英特尔Curie，一个Quark X86处理器，相当于一个ARC处理器。Curie模块有两个UART端口，一个内部连接到BLE nRF51822，另一个是调试端口。HereO把Curie调试端口、蜂窝调制解调器、WiFi调制解调器和GPS连接到每个UART扩展端口，扩展器由CurieGPIO控制。
该系统还采用了内部BLE、陀螺仪和加速度计(用于卡路里测量)，外部温度和气压传感器(用于更精确的定位算法和正常状态测量)以及基于I2C的显示器(用于支持手表大部分不相关联的功能，比如显示时间)。
使用Zephyr 操作系统优缺点兼而有之
Zephyr操作系统协助HereO实现产品的过程中可谓优缺点兼而有之：
优点是，该项目就能够采用低性能处理器(如：能运行于低端的ARM设备、ARC等)设置一个非常强大的应用程序;应用程序占用空间小，可运行于Curie提供的384KB flash，80kB SRAM上，并且还有一定的空间支持更多功能;可移植性，这是最重要的优势。解决方案是“跨硬件平台”的，HereO已经开始在NXP的平台上进行测试，移植非常简单，所需的工作量很少。
缺点是，用户使用Zephyr 操作系统面临相当大的挑战，一是，入门水平高，为了很好地了解它，需要研究这款操作系统;二是，这是一个年轻的项目，因此网上几乎没有实例，而且做很多事情还没有“明确”的方法;三是，对于Linux构建系统(Kconfig、Makefile、defconfig等)需要有很好的了解。
为什么选择Zephyr项目？
HereO已经选择Zephyr操作系统作为其大部分项目的主要操作系统，这是因为它能够基于低成本处理器创建具有连接性、传感、数据传输协议和极端模块化的物联网设备。迄今为止，这些功能主要通过采用Linux和功能更强大(而且更贵)的处理器才能实现，Zephyr项目确实开放了很多新的和已有的机会。
CommSolid：连接更丰富的设备
CommSolid是一家提供领先的超低功耗物联网解决方案的蜂窝IP公司。CommSolid的CSN130基带IP解决方案专为3GPP窄带物联网标准(Cat-NB、NB-IoT)而设计，由硬件(RTL)和软件堆栈组成。嵌入到用户的系统级芯片(SoC)中，可以将传感器和执行器直接连接到互联网，从而实现物流、健康、智慧城市和检测等智能应用程序。超低功耗消费使CSN130 IP适用于长时间采用电池供电的设备。CSN130基于灵活的架构，与经过验证的技术相结合，现在可用于授权和片上系统集成。
为什么选择Zephyr 操作系统？
CommSolid的CSN130 NB-IoT基带IP解决方案采用了Cadence认证的Tensilica Fusion F1内核技术，能够将包括蜂窝协议堆栈和物理层的完整的调制解调器整合到单一内核中，这需要高性能、低功耗的实时操作系统RTOS。CommSolid评估了各种实时操作系统，主要标准是性能和稳定性，以实现可靠的NB-IoT通信。另外，还需要执行中间件堆栈和客户应用程序的简单机制，所有这些问题都是Zephyr 项目可以解决的。
Zephyr的内核调度器能够和蜂窝网络实现高精度的同步。针对IoT设备，电源效率至关重要，Zephyr操作系统已经准备好支持这一需求，从而实现超低功耗和超长的电池寿命。驱动API和子系统增加了解决方案的可扩展性。这使得从占用非常小的空间的瘦调制解调器的功能，直到应用程序运行在顶端的云连接设备都可以实现。
采用Zephyr 实时操作系统的CommSolid CSN130 NB-IoT基带IP解决方案已经在CommSoild的NB-IoT参考平台上进行了演示，针对语音激活的数据传输的实时语音识别在单核CPU上运行在NB-IoT之上。
Grush：为儿童打造一款刷牙游戏
Grush是先进的蓝牙运动传感牙刷开创者，加上互动和指导性的手机游戏。Grush指导小孩刷牙，并且让父母跟踪结果。
Grush采用了一个技术领先的运动传感牙刷，兼做游戏控制棒的双重作用。牙刷通过蓝牙以无线通信的方式向Grush游戏传输数据—一款交互式手机游戏，通过刷牙流程指导儿童。Grush也采用了一项云服务，它存储刷牙信息，以使父母通过仪表盘APP监控小孩的刷牙动作，允许他们根据小孩的表现进行奖励。
为什么选择Zephyr 操作系统？
Zephyr项目使Grush很容易为联网牙刷游戏体验构建先进的Grush游戏算法。Grush需要一款操作系统，能够准确地收集传感器数据、处理复杂的算法、与双处理器通信，并且能与智能手机通信，同时确保应用程序可以使用尽可能多的内存。
Zephyr操作系统是一个完美的解决方案。Zephyr操作系统是“足够小巧且开箱即用”，并且不需要额外的工程。作为一款、小且可扩展的实时操作系统，Zephyr占用空间小，允许Grush开发者最大化Grush游戏算法的能效。Zephyr操作系统的多线程功能使Grush可以同时收集传感器数据，运行算法，与智能手机可靠地通信，实现无缝刷牙体验。
从以上三个实例可以看出，Zephyr操作系统在物联网设备中发挥了其占用空间小、高度灵活、高可靠的优势，未来会被更多物联网设备供应商广泛采用。
关于Zephyr
Zephyr 项目是一款小型且可扩展的操作系统，尤其适用于资源受限的硬件系统，可支持多种架构;该系统高度，对于开发人员社区完全开放，开发人员可根据需要对该系统进行二次开发，以支持最新硬件、工具和设备驱动程序;该系统高度模块化平台，可轻松集成任何架构的第三方库和嵌入式设备。
原文地址：http://www.eeboard.com/news/zephyr-hereo-commsolid-grush/
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您必须才能发表留言！iPhone一般寿命有多少？iPhone一般寿命有多少？创新故事百家号对于消费者来说，消费品的使用寿命是选购产品时候要考虑到的非常重要的指标之一。也可以看得出来现在的用户使用这些智能产品的时候都很小心翼翼，尽量让它们的使用寿命更长一些。但是像iPhone这样的产品的使用寿命就尽能有多久呢？我们不妨看看苹果官方给出的答案。苹果官方给出的苹果设备使用寿命的结果是：在测试产品在模拟状况下运行所消耗的电力，他们从实际与模拟顾客的使用数据，建立出“OS X 与 tvOS 设备假设为四年使用期，iOS 与 watchOS 设备则假设为三年”的使用年限。以上答案你是否满意呢？当然官网的说法并不是三年后或者四年后就要把设备扔掉必须换新，而是给出了一个运行性能的预期提升时间和循环周期。简单的可以理解为iOS每三年为一个档次，OS X设备每四年为一个档次。其实按照现在的使用频率和苹果的免费系统更新来看，苹果的设备可以使用的时间会比官方预期的更长。举个例子来看，就像目前最新的iPhone8，对于iPhone6S和iPhone7的用户来说是没有必要购买的，不过对于6S之前的设备用户来说，最好还是换台新的iPhone吧，毕竟性能水平差太多了，自己用着也不会流畅的。本文由百家号作者上传并发布，百家号仅提供信息发布平台。文章仅代表作者个人观点，不代表百度立场。未经作者许可，不得转载。创新故事百家号最近更新：简介:表达观点，用心说故事作者最新文章相关文章当前位置： >>
叠压供水设备对市政管网供水影响的研究
湖南大学 硕士学位论文 叠压供水设备对市政管网供水影响的研究 姓名：孙玮 申请学位级别：硕士 专业：市政工程 指导教师：许仕荣
叠Ｋ供水设器对市政管嘲供水影Ｉ｜｜｝９的研究摘要本文以确保叠压供水系统稳定性、维护市政管网安全运行以及节能减耗为目 的，以深圳市沙头角供水管网为研究对象，进行了以下研究：（１）系统地阐述了供 水管网瞬变流理论，包括瞬变流基本方程及其求解方法：（２）介绍了ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ 的主要特点及其所含分析模块的选择，着重阐述了软件建模的简化原则及其仿真 计算原理以及管网系统线性方程组的求解过程；（３）以深圳市沙头角供水管网为工 程实例，借助ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ将叠压供水系统与市政管网系统作为一个整体建立管 网水力模型，通过数值模拟，分析叠压供水系统与市政管网系统之间的相互影响 规律；（４）对叠压供水方式和传统二次供水方式在节能方面做了对比分析，并以经 济性为目标对叠压供水系统进行了优化。 结果表明： （１）叠压供水系统启动导致引入管与市政管网串接处压力出现剧烈波动，对于 本工程，市政管网服务压力由Ｏ．２２ＭＰａ降至１０．９ｓ时的最低压力０．１７２ＭＰａ，最大压降为Ｏ．０４８ ＭＰａ，经过３５ｓ逐渐稳定于０．２０６ＭＰａ，压降为０．０１４ＭＰａ。叠压供水系统引入管接口点越靠近市政水源，且所接市政干管管径越大，叠压供水系统运行时 引入管接口点压力下降趋缓。（２）稳流罐在叠压供水系统中有着减小流量、压力波 动和缩短系统趋于稳定所需时间的重要作用。合理的稳流罐尺寸与形状设计可以 改善稳流罐内水流流态，对于同一体积稳流罐而言，公称直径较大的具有工艺结 构方面的优势。（３）通过模拟可以得出本工程算例中叠压供水系统取水的界限流量， 又建筑低区和中高区总设计用水量小于叠压系统取水的界限流量，故可以确保叠 压系统运行不对市政管网产生负压抽吸作用，进而确保管网系统安全运行。（４）市 政管网服务压力增大时叠压系统流量趋于稳定的时间缩短，增压泵出口压力波动 减小，水泵转速减小，从而保证恒压供水，轴功率也相应下降，起到节能效果。 市政管网供水压力不足时，系统供水量下降，不能满足设计流量，叠压系统对市 政管网产生的降压减小。（５）叠压供水方式比传统二次供水方式节能。（６）带高位调 蓄设备的叠压系统供水系统相对于无高位调蓄设备的叠压供水系统节能效果更 好。增设高位调蓄设备还可以提高叠压供水系统的供水保证率，并且具有削减市 政供水管网高峰负荷的作用，使得供水的不均匀性有所改善，进而一定程度上降 低了市政供水设施的规模和投资。（７）在夜间小流量工况下宜采用辅泵加气压罐联 合供水方式，这种供水方式相对于调节大泵更加节能。关键词：二次供水；叠压供水；瞬变流；ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ软件；节能ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｉｍｓ ａｔ ｋｅｅｐｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｐｉｐｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｐｉｐｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｓａｖｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆ Ｓｈａ Ｔａｕ Ｋｏｋ ｉｎ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｃｉｔｙ．Ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｔｕｄｉｅｓａｒｅ ａｓｆｏｌｌｏｗｓ：（１）Ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓｇａｖｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｆｌｏｗ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆｐｉｐｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈｅ ｔｗｏ ｂａｓｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｌｏｗｔｈｅｏｒｙａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．（２）Ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｉｔｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｕｌｅ，ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｆ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｗｉｔｈｏｎＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｔｈｅ ｔｈｅｏｆ ｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ．（３）Ｔｈｉｓａｓｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｉｐｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ ｌｉｎｅａｒＴａｕ Ｋｏｋｐａｐｅｒ ｔｏｏｋ ｔｈｅ Ｓｈａｏｆ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｃｉｔｙ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒａｒｅａｌ ｅｘａｍｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅｎｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｐｉｐｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｈｙｄｒａｕｌｉｃｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｐｉｐｅａｓ ａｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｐｉｐｅ ｎｅｔｗｏｒｋ 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ｉｎ ｔｈｉｓｅｆｆｅｃｔ．（３）Ｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙ ｆｌｏｗ ｏｆｐｒｏｊｅｃｔｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｌｏｎ，ｆｌｏｗ ｗａｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｔｈｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｍ ｏｆ ｌｏｗ ｒｅｇｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅｇｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｂｏｕｎｄａｒｖ ｆｌｏｗ，ｓｏ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｍａｋｅｓｕｒｅｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓｎｏｓｕｃｔｉｏｎ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｗｈｅｎ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｐｉｐｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐＩＹ ｓｙｓｔｅｍ ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｎｌｍｌｉｎ禹ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｍａｋｅｓｕｒｅｐｉｐｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｅｒａｔｅｓａｆｅｌｙ．（４）Ｗｈｅｎｎｅｅｄ ｆｏｆｍｕｎｉｃｉｐａｌｌａｍｉｎａｔｅｄｓｅｒｖｉｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅ ｐｉｐｅ ｎｅｔｗｏｒｋｔｉｍｅ ｗｈｉｃｈ ｗａｓｆｌｏｗｂｅｃｏｍｅｄｓｔａｂｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓｏｆ ｐｕｍｐｏｕｔｌｅｔｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｒｅｓｓｕｆｅ ｗａｔｅｒ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｐｕｍｐ ｓｐｅｅｄ ｒｅｄｕｃｅｄ，ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｋｅｅｐｃｏｕｌｄ ｓｕｐｐｌｙ，ａｎｄ ｓｈａｆｔ ｐｏｗｅｒ ａｌｓｏ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｓａｖｅｅｎｅｒｇｙ．Ｗｈｅｎｍｅｅｔｍｕｎｉｃｉｐａｌｔｈｅ ｄｅｓｌｇｎｆｌｏｗ ｃｏｕｌｄ ｎｏｔ ｐｉｐｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｅｒｖｉｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｌｏｗ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐｏｎｔｈｅ ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｐｉｐｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｐｉｐｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｕｌｄ ｐｉｐｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍｓａｖｅｄｅｃｒｅａｓｅｄ．（５）Ａｄｄｉｔｉｖｅｍｏｒｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｈａｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ?（６）ＡｄｄｌｔｌＶｅ ｐｉｐｅ 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了更为广泛的应用比１。 不断深入的城市化进程导致城市人口同益增多，也造成了土地需求的紧张， 市政供水是同人们的生活、环境、卫生以及安全息息相关的，也与千家万户的生 活息息相关，是城市建设中最基本最重要的一环。城市供水系统是将水厂的出厂 水通过管网系统输送至各个用水点，并满足用水点的水量、水质和水压要求的冷水供应系统阳１。一般而言，我国传统的二次供水方式是市政管网一水池一水泵一高位水箱，这种供水是将市政管网里的压力水直接输入到水池，再由加压水泵将 水从水池送到高位水箱，然后由水箱向用水点供水。因为使得市政管网余压白白 浪费掉，所以这种供水方式很不经济。而据统计，我国建筑能耗要占到总耗能的２０％＇－－＇３０％，在三北地区高达３０％＂－＇４０％，所以建筑节能在我国节能总战略中具有重大意义ｎ１，人们丌始对利用市政管网余压产生了兴趣。另外，传统二次供水方 式易引起供水水质的二次污染，根据对二次供水的调查，各地二次供水主要水质 指标都存在不同程度的超标。例如，连云港市生活用水经水箱后的出水余氯合格 率只有４０％∞１。深圳市对２７４个二次供水贮水池水质进行调查，合格率更低，经水 池后余氯合格率不大于３０％，大体积水池的合格率只有１０．６％饰１。长沙市政协向长 沙市政府呈交了一份《关于长沙市二次供水管理的视察报告》的报告，其中显示 二次供水水质污染已经到了令人担忧的地步。ｌ ９９８年湖南省地税局办公楼工作人 员集体腹泻，后被证实问题就是出在二次供水的水质上，而且是由细菌总数超标 以及大肠菌群所致。综上所述，如何改善二次供水水质已经成为迫在眉睫的问题。 鉴于上述情况，很有必要找到一种既节能且可以避免二次污染的合适的二次 供水方式。近些年逐步发展起来的叠压供水方式成功的解决了传统二次供水方式 固有的多种弊端，因其直接与市政管网串接，所以可充分利用管网余压，节能效 果显著，又因可以省去低位水池，所以可以彻底杜绝二次污染问题。叠压供水设备对市政管网供水影响的研究１．２二次供水方式比较随着我国社会的不断进步，人们的生活水平日益提高，也越来越重视自身的 健康状况，而水在人们的日常生活中与健康关系最为密切。显然，传统二次供水 方式己不能满足日常生活对于高质水的需求，因而迫使人们不断去探求新的供水 方式。１．２．１直接供水方式直接供水方式就是由市政管网直接给用户供水的二次供水方式，市政管网直 接供水，是最简单经济的供水方式。此种供水方式利用市政管网水压直接供水， 一般适用于单层和多层建筑，高层建筑中的下几层，市政管网水压能够满足各用 水点要求，此种供水方式系统简单，充分利用外网水压，特别适用于供水管网的 水量、水压在一天内均能满足用户用水要求的情况。水未经任何调蓄构筑物，直 接供给用户，所以水质较好。当市政管网压力过大时，则应采取相应的减压措施。 同时直接供水系统非常简单，占地也很小，节约了建筑空间。但当用户用水量过 大时，就可能不能满足用水点压力要求，因此，此种方式显然不能推广使用。１．２．２传统二次供水方式传统生活用水二次供水方式是：市政管网一水池一水泵．高位水箱．用户，即这种 供水方式是自来水先进入水池中，再通过加压水泵供给各用户使用。这种用水方 式可以利用水池或水箱的调蓄性来保证用水的水量和水压的要求，但不可避免地 造成市政管网余压的浪费以及水质的二次污染问题。１．２．３气压供水方式气压供水方式即在供水系统中设置气压供水设备，利用气压罐内气体的可压 缩性，升压供水。气压罐的作用和高位水箱相似，但其位置设置可以根据需要而 定，设置在高处或者低处均可。尤其是当室外供水管网压力低于或者经常不能满 足建筑内供水管网所需压力，室内用水不均匀，且不宜设置高位水箱时，宜采用 气压供水方式。１．２．４变频调速供水方式变频调速供水方式是集机械、电气、微机控制于一体的供水方式，经过十多 年的发展应用，现在已经形成了比较成熟的技术，在供水领域的应用也日益广泛， 变频调速供水对于减少能源浪费具有重要意义盯１。变频调速供水适用于用水时间 较长、用水量频繁变化的场所。从节能方面来看，供水系统宜达到一定的用水规模。基于工频泵的缺点，对泵进行改进，使其具有随出口压力变化而改变转速的功能，从而保证水泵多数时间在高效段运行。二次供水增压水泵机组变频调速系统的运行方式是采集管网中的压力信号，通过闭环控制的方法来控制水泵机组转速以改变出水扬程。一般工况下，变频调速系统是通过调节泵的转速来改变出水扬程，从而满足 不同条件时对水泵的性能要求。采用变频调速控制改善了工艺，水泵阀门可在全 开位置，其出口压力等于管网供水压力，阀门节流损失减小到零。因为变频器具 备平稳的调整功能，这样就可以自如的调控，提高了效率，并且可以避免因通过 阀门控制使泵偏离额定工作区而引起振动。由于启动缓慢，许多零部件，特别是 密封件、轴承的寿命得以延长。检修周期延长了，检修维护开支减少了，节约大 量维护费用。采用变频调节后系统可以实现软启动，电机起动电流从零逐渐增至 额定电流，相应延长了启动时间，减小了对电网的冲击程度，从而可以有效延长 电机的使用寿命。１．２．５叠压供水方式近些年以来，叠压供水设备逐渐得到水务部门的许可并且得以推广。叠压供 水系统是利用变频泵从市政管网抽水，充分利用市政管网余压，同时根据不同时 段的用水量利用变频泵供水的二次供水方式。变频泵可以自动调节转速，可以使 水泵一直处于高效运行状态，达到节能的效果，并且在二次加压过程中，水质不 会受到二次污染。该供水方式己经应用于小区和高层建筑二次供水系统，实际运 行表明，该供水方式可以满足综合造价低，占地面积小，供水水质好，运行费用 低等优点∞１。叠压供水系统采用真空补偿技术防止直接串联市政管网取水而产生 负压。但这种供水方式易对市政管网压力造成影响，可能影响市政管网的正常供 水，叠压供水系统的使用涉及到管网供应能力、管网运行安全和水质安全等三个 方面的问题旧１。１．２．６二次供水方式比较传统二次供水方式和气压供水方式是上个世纪９０年代前的主要供水方式，变 频调速供水方式是近十年来才发展期来的，也是我国目前工程设计中最为普遍的 供水方式，而叠压供水方式则是近几年逐步发展起来的新方式。各种供水方式都 有其优缺点和适用条件：在节能方面，传统二次供水方式增压水泵为定速泵，水 泵在额定转速下提供一定流量，无反馈信号和压力控制，水泵只在设计工况点时 效率最高，随着水泵实际运行工况点的偏离，水泵效率降低，水泵将有大部分时 间处于低效运行状态。当用户用水量减小时，水泵处于扬程过剩状态下工作，过 剩扬程就造成不必要的能量浪费，管路内漏增加，阀门损坏加剧。当用户用水量 增大时，系统压力降低，则难以满足等压配水，导致在夜间供水管网压力升高， 造成爆管和损坏用户用水器具的现象，同时也增加了管网的漏损程度。正是由于 定速泵各方面的缺陷，变频调速技术广泛应用在二次加压系统，起到了一定的节叠压供水设备对市政管网供水影响的研究能效果。变频调速供水方式是采集管网压力信号，采用闭环控制的方法，通过变 频调速系统来控制水泵机组转速以改变水泵的出水扬程和电机的输出功率。通常 情况下，变频调速系统的应用主要是为了调节泵的转速来改变水泵的出水扬程， 以满足不同条件时对水泵的性能要求。采用变频调速控制改善了工艺，水泵阀门 可在全开位置，其出口压力等于管网供水压力，阀门节流损失减小到零。由于变 频器可以非常平滑稳定的调整，运行人员可以自如的调控，改善了供水质量，提 高了效率，且可以避免因通过阀门控制使泵过多偏离额定工作区而引起的振动。 由于启动缓慢，相应的延长了许多零部件，特别是密封件、轴承的寿命。有效的 延长检修周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。采用变频调节后系统 实现软启动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网 无大的冲击，并有效地延长了电机的使用寿命。但由于其供水途径仍是市政管网． 水池．水泵一用水点，还是没有利用市政管网余压。而叠压供水方式最大的优势就 是其在变频调速供水的基础上还可以充分利用市政管网余压，起到了节能减耗的 重要作用。另外，叠压供水方式因取消了调蓄构筑物，所以能够节省建筑面积、 防止和减少污染、简化系统。叠压供水方式与气压供水技术都采用压力容器进行 水量凋节，不同的是气压罐安装在水泵出水管上，设置高度不受限制，且不会产 生负压，在正常供水时起水量调节作用，其水泵机组工频运行，利用了空气的可 压缩性将储水容器内的水压出并向用户供水，而叠压供水系统中的稳流罐安装在 水泵吸水管上，其设置高度往往受到严格限制，且稳流罐内可能出现负压，在供 水不足时力起水量调节作用，其水泵机组变频运行，是利用空气来避免形成负压。 叠压供水方式与变频调速供水方式都采用变频技术对水泵实施调速运行，变频调 速供水水泵从贮水池吸水，只需对出水压力进行监测，而叠压供水水泵从市政管网吸水，静扬程随市政管网余压而变化，所以需要同时对进水和出水压力进行监测。１．２．７国内外二次供水研究现状叠压供水技术是对传统二次供水技术的革新，它具有节能、卫生安全、节约 投资、管理方便等优点。随着城市供水条件的逐步完善，以及自动化控制技术在 供水方面上的发展，叠压供水技术的推广条件也同趋成熟。在北京、浙江、江苏、 四川、东北、广东等地己经使用了此技术，并且我国也正在编制叠压供水设备的 产品行业标准，这为以后此设备的发展提供了有利的保证¨０。。关于叠压技术的应 用，国内的一些学者和专家都进行了研究，介绍了设备的杯统组成和工作原理， 对不同工况进行了分析，也进行了相关的能耗分析。潘书通，张斌，孙建民…１在 ２００３年给水排水上发表了《直接式管网叠压供水设备的工作原理与应用》，通过 对设备工作原理的介绍，说明了此种设备在供水系统中的可行性和此种供水方式带来的节能、环保等方面的效益及其应用范围。李刚№３在２００４年给水排水上发表 的《无负压管网增压设备应用探讨》，详细介绍了设备的杯统组成和工作原理， 并对不同工况进行了分析，说明了各工况点的工作情况，并进行了能耗分析。李 世英ｎ明在２００２年湖南农业大学学报发表了《直接式管网叠压供水与传统供水方式 的比较》，说明了叠压供水方式的优点，并对其用于消防进行了可行性分析。樊 建军、王峰、胡晓东等¨３１２００５年在中国给水排水发表了《直接式管网叠压供水的 优化设计》，在其文章中提出了应用叠压供水技术时应注意合理的确定市政管网 最低压力，并且提出了叠压供水系统的优化设计。 叠压供水技术最早从由日本发展起来的，上个世纪八十年代中期，日本就已 经开始了关于这方面的研究，研究内容不只限于技术层面，也在市场需求，行政 管理和法律，城市高层建筑的供水模式等层面上的讨论也陆续展开…川引。直接给 水系统被日本厚生省列入国家施策方针性文件“面向２ｌ世纪的供水系统改造和再 构筑的长期目标”中，且对给水设计规范作出了相应的修订，把供水管网末梢的服 务水压从原来的０．１５Ｍｐａ提高到了Ｏ．２ＭＰａ，由国家提供相应的基金在千叶县建成 了具有一定规模的实验室，并且组织了一批由科研机构、供水企业、学者以及产 品制造厂商构成的队伍，在把资金筹备好以后，进行了关于“直接给水”方面的研 究，计划用３年的时问将“推进直接给水系统”的研究完成，做了很多相应的课题 研究ｎ６１。日本札幌市水道局从１９９２年开始实行新的二次供水计划，仅在那一年内 有６８栋楼房采用了叠压供水设备供水，将其原有的水箱取消，改造效果评价颇佳。 美国的专业化水务公司ＤＡＲＥＹＥＴ水务集团一直致力于二次供水新型技术的开发 研究，成功地在美国及世界各地推广使用了叠压供水系列设备。到了上个世纪９０ 年代末期，管网叠压供水技术已在同本、美国、西欧等国家得到普遍应用…１。１．３课题研究的目的、意义及内容１．３．１课题研究的目的本课题以确保叠压供水系统稳定性、维护市政管网安全运行以及节能减耗为 目的，将深圳市沙头角市政管网与叠压供水系统作为一个整体建立管网水力模型， 通过数值模拟，分析叠压供水系统与市政管网之间的相互影响规律，对叠压供水 系统进行优化，完善和改进现有的叠压供水技术，为叠压供水技术在二次供水中 的实际应用提供指导。１．３．２课题研究的意义叠压供水技术没有传统二次供水技术的多种弊端，因为叠压系统引入管直接 与市政管网串接，所以能充分利用市政管网余压，节能优势明显。因无需水池等叠压供水设备对市政管网供水影响的研究调蓄构筑物，所以能杜绝生活用水的二次污染。但这种二次供水方式会造成市政 管网的压力下降，从而有可能影响市政管网的正常供水。同时就我国目前的情况 而言，对这种供水方式的研究还很不够，其中还存在许多问题亟待解决，尚无一 个统一的应用标准，因此在许多城市中这种供水方式不轻易被允许实施。本课题 就是针对叠压供水系统的复杂性，从理论分析和模拟计算方面研究叠压供水系统 和市政管网系统，分析叠压供水系统对市政管网的影响情况，力保二次供水系统 的经济性以及安全可靠性。叠压供水系统的推广使用对提高饮用水的卫生质量以 及节能具有重要的实际意义。１．３．３课题研究的内容本文针对叠压供水系统的特点，在现有研究成果的基础上进行理论分析和模 拟计算： ①以深圳市沙头角供水管网为工程实例，将叠压供水系统与市政管网系统作 为一个整体建立管网水力模型，通过数值模拟，分析各个工况条件下叠压供水系 统与市政管网系统之问的相互影响规律，为叠压供水系统的应用提供实际指导； ②对叠压供水方式和传统二次供水方式在节能方面做了对比分析，并以经济 性为目标对叠压供水系统进行了优化。１．４本章小结本章分别介绍了各种二次供水方式，从多个角度深入剖析了各种供水方式的 优缺点，对不同二次供水方式进行了详细的比较，也进一步分析了国内外二次供 水的现状，阐明了本文的研究目的、意义以及内容。．６．第２章供水管网系统瞬变流理论模型一般是指通过一些函数或一些特定的对应映射来模拟一个系统的运行情 况，通常可分为物理模型系统以及数学模型系统ｎ钆州。城市供水管网是一个复杂 系统，不仅因为其拓扑结构复杂，而且由于用水的不均匀性以及管网控件动作的 突发性与偶然性，必然产生流体的瞬变流动和各种水力状态之间的过渡过程，因 此怎样描述以及表现这一现象及其对管网的影响显得十分重要，这就需要对城市 供水管网系统建立各种模型进行分析研究。２．１管网建模回顾及现状分析我国供水管网系统模拟研究起步于２０世纪７０年代，杨钦编写了“７５１２管网水 力计算程序”等用于管网平差及优化的程序；赵洪宾将计算机技术应用于管网系 统的建模，提出了“实用工况＂和微观模型、宏观模型联合建模分析的方法心引； 陈跃春他订提出了建立时段宏观模型的方法；王训俭等心２１研究了非比例负荷宏观模型；姜乃昌、韩德宏心３１研究了泵站内调速泵泵速调节的优化调度，提出了相应的供水管网工况分析的解析宏观模型心引；赵新华乜朝等建成了管网系统的等效网络 模型，对配水管网做了动态模拟；郑爽英陋司分析了沈阳市的供水管网系统宏观 调度模型；孙文深瞳＂针对大庆市供水管网系统提出了供水管网工况分析的方法； 吴学伟乜８１对实际管网进行了研究并建立了供水管网系统多目标直接优化模型；周 玉文等对供水管网动态建模他们及ＧＩＳ应用阳们进行了深入研究。 现阶段供水管网模型大致可分为：恒定流分析、延时分析、水质分析、瞬变 流动分析等阳¨。其中最主要的两种模型是恒定流分析模型和瞬变流动分析模型。 恒定流分析模型以恒定流动状态的分析作为各种工况分析的基础，其分析的时间 尺度一般为小时或分钟，其本质上为恒定流动分析，时变加速度为零。而瞬变流 动分析模型是以动力方程和连续性方程为基础，水流的时变加速度进入考虑范围， 用于分析非恒定及急变流动，水体、管壁的压缩性和弹性被纳入考虑之中，其分 析时间步长较小，因而能够深入描述整个流体运动过程。 本研究课题对叠压供水系统进行研究，这必然需要考虑由于管网构件状念的 突变而导致管网系统中产生流体的瞬变流动，从本质上来看，这种现象是由于流 体局部受力情况发生突变，力学平衡被打破，因而产生压力波，压力波所到之处 受力又会受到影响，到达边界时，受边界条件限制，进而产生反射波，这就使管 线上各点的流速和压力等各个参量随时问持续的产生变化，直到由于阻力耗散的 作用下，才趋于另一个恒定流动状态。瞬变流分析正是描述水流由一个恒定流状叠压供水设备对市政管网供水影响的研究态过度到另一个恒定流状态时，各个水力参量的时空分布，主要用于分析管网中 构件状态发生急剧变化时对系统的影响协２一驰。如果从水力学范畴来看，就是在分 析中考虑流体惯性项的作用，且将水流和管壁的压缩性和弹性作用一起考虑。国 内外的实验和理论研究均表明口引：管网稳定流与瞬变流具有不同的流动特征，瞬 变流动过程中的瞬时摩阻可用拟稳态摩阻项和附加摩阻项两部分来进行描述，如 果把其简单看作稳定流则会低估瞬变流动过程中实际产生的摩阻损失，因而不能 预测瞬间所发生最大升压以及降压，也不能准确预测后续过程中压力波的衰减以 及波形畸变。 此外，基于ＳＣＡＤＡ系统的在线模型研究∞朝及其应用∞郇的研究正在逐步成为一 个新热点，在线模型通常指系统通过ＳＣＡＤＡ（ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙＣｏｎｔｒｏｌ ａｎｄＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）系统实时获取管网各个监测点的相关数据，应用模型估计管网的状 态，随后运用系统的控制设备控制管网的状态变化。管网的状态能够被实时地反 映，从而可以向管理人员提供分析基础，这也是管网模型发展的大趋势。在线模 型涵盖多个方面的内容：测点设置，数据采集及处理，管网状态估计及构件状态 变化分析，控制动作决策、模拟及实施等等。现阶段主要对于基于多目标的测点 优化设置口＂，数据采集及处理，控制动作的优化决策∞８３等方面研究居多，而对管 网构件状态变化研究，控制动作模拟，管网状态估计等方面则研究偏少，基本上 没有从理论上对构件的状态变化特征、构件状态变化对管网的影响等方面对管网 的在线模型进行研究。 本研究课题基于瞬变流理论，运用ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ软件建立供水管网瞬态水 力模型，从水力学的角度上考虑了流体运动惯性力的影响，也考虑了水与管壁的 压缩性和弹性，故可以准确无误的表现出管网构件状态瞬间变化过程及其对管网 状态的影响。而本章主要进行有压管网系统瞬变流的水力学分析，这是建立管网 模型的水力学基础。２．２有压管瞬变流概述当液体质点的运动要素随时空变化时，这种液体的流动被称为瞬变流，亦即 瞬变流。瞬变流是自然界广泛存在的一种水流现象，可将其分为以下三种类型ｎ９１： （１）有压瞬变流； （２）明渠瞬变流； （３）明满交替瞬变流。 有压瞬变流，指封闭管道中的瞬变流，这种瞬变流通常称为水击或水锤。供 水管道是市政供水管网系统中不可或缺的组件，是属于典型的有压流。当对管网 系统进行调控时，如水泵、阀门的启闭，或者用水量发生变化时，就会产生瞬变 流现象。对这种现象必须要有适当的考虑，尽量减轻对管网系统的损害ｎ０￣４２１。水力特性对管网系统的稳定性和可靠性，以及系统中其它组件的正常工作有着巨大 影响，因此分析瞬变流，对管路系统的合理设计、优化、故障诊断及保证管路的 正常工作有重要指导意义。 在瞬变流基本方程推导前，先作如下假定： ①管壁是弹性的，按分布参数处理，即用流场来描述管道系统； ②流体是黏性的，切应力按恒定流动时的规律分布； ③对于运动方程，认为流体可压缩性对流速影响很小，可以忽略； ④流经管道中的水流是一元流，且流速在管道横截面上分布均匀。２．３有压管瞬变流基本方程管道瞬变流的理论基础是水流运动的力学规律和连续原理，根据牛顿第二定 律和质量守恒定律，导出的管道瞬变流的基本方程，包括运动方程和连续性方程， 它是全面表达有压管流中瞬变流动规律的表达式。瞬变流基本方程均以偏微分方 程形式反映了瞬变流中流速和水头的变化规律，为解决瞬变流计算问题提供基本 理论公式。 两个方程式表示如下。 运动方程式厶如式（２．１）。厶＝百ＯＱ＋酣豢＋ＲＱＩＱＩ＝０式（２?１）中，Ｒ（２．１）２南Ｌ２＝ａ２罢＋ｇＡ掣：０ 叙 反（２．２）、 ’连续方程式厶如式（２．２）。式（２．２）中，Ｈ：管路中Ｂ点的水头（ｍ）； 厂：管路磨阻系数； Ｑ：管内流量（ｍ３／ｓ），以指向下游为正； Ｄ：管道直径（ｍ）； Ａ：管道截面积（ｍ２）； ａ：水击波波速（ｍ／ｓ）； ｇ：重力加速度（ｍ２／Ｓ）；ｔ：时间（ｓ）；Ｘ：距离，以指向下游为正，见图２．１。叠压供水设备对市政管网供水影响的研究图２．１管路内微小流体上的作用力２．３．１运动方程图２．１所示，对于截面积为Ａ的隔离体ＢＣ来说，ｘ是从任意起点开始沿管轴的座标距离，管子和水平成口角，隔离体Ｂｃ正被压缩着，其断面面积增加率为掣； 召处断面积为彳，那么可以推知ｃ处断面积为（彳＋掣出）。由牛顿第二运动定律可知：作用于隔离体ＢＣ上的合外力等于该微小流体的 质量与加速度之积；加速度的方向和合外力的方向一致。 沿管轴方向的合外力为∥∞一ｚ）一次彳＋罢出）（日一ｚ＋罢出＋ｓｉｎ础）＋厂（彳＋害罢）出ｓｉｎ口＋厂ｆ日一ｚ＋ｉＯＨ―ｄｘ―＋―ｄｘ―ｓｉｎ口１垦生出一砒ｒ。 叙２’Ｉ２／Ｏｘ”上式中，力的正方向取由Ｂ到Ｃ。 将上式展开，整理得： 沿ｘ方向的合外力为一文∥罢＋砒）因微小流体的质量为―ｙＡ―ｄｘ，加速度为＿ｄＶ，故由牛顿第二运动定律得：ｇｔｉｔ一出（∥罢＋挑）＝了ｙＡｄｘ百ｄＶ设Ｒ为管道半径，Ｊ为水力坡度，那么加ｆ。＝ｚｘ亿３，２Ｒｙｘ（Ｒ／２）Ｊ＝ＡｘＪ，代入式（２．３），经过整理可得：掣＋三孚＋Ｊ：００――＋一――＋‘，＝ 瓠 ｇ ｄｔＩＺ．ｑ， （２．４）。在波动过程中，有Ｖ：Ｖ（ｘ，ｔ）成立，将华项用全微分定义展开，可得： 讲――＝一＋――――＝――＋ｙ― ａｘ ｄｔ ０ｔ ａｘ ｍ ０ｔ因此式（２．３）可写为ｄＶ８ＶａＶ ｄｘａＶ．，ａＶ（２．５）型＋三ｆ里＋～鲨１＋，：０Ｖ ０ｘ ａｔｇＬ――＋一ｌ――＋――Ｉ＋√＝０ｘ夕（２．６）令水力坡度，＝五Ｉ瓦ｒｌｖＩ，代入式（２．６）后，可得出瞬变流运动方程式为丝＋三里＋一Ｖ―ａＶ＋』型：ｏ 叙 ｇ融Ｄｇ ０ｔ ２９（２．７）、可做进一步简化，即坐：竺ｌ １Ｉ＂Ｉ。Ｆ 一＝一ｌｌ ａ 衍趟斋百甜一抄一缸 形一斗割（２．８）因为害－－－－￡／＞＞ｙ，则百ｄＶ≈百ａＶ，将此关系代入式（２．３）后，瞬变流运动方程可简化为塑＋！型＋￡型：ｏ ――＋一――＋二―＿＝Ｕａ）ｃ ｇ ８ｔＤ ２９（２．９）即百ａＱ＋鲥豢堋阱ｏ２．３．２连续方程（２．１０）如图２．１所示，对于管段ｄｘ，为了保证其内部水体的连续，只要保证其内部全部空间都被水充满。由质量守恒定律可知，在ｄｔ这段时间内，流入和流出此管段的水的质量之差为埘，＝ｐ彳肋一（ｐ＋警出）（彳＋罢出）×（ｙ＋豢）斫将上式展开并略去高阶微量，即ｃ２川，叠压供水设备对市政管嘲供水影响的研究埘。＝一拗（物罢＋么ｙ罢＋和尝］体质量：ｃ２ｍ，经过分析可知，ＡＭ，应该等于在同一时段内管壁膨胀和水被压缩所增加的水埘：＝丢汹出Ⅻ＝融ｐ百ｄＡ＋彳害）即ＡＭｌ＝ＡＭ２，故得：（２ｍ）一出ｍ（ＶｐａＡ州矿望Ｏｘ刊ｐ竺Ｏｘ）＝拗×（ｐ坐ｄｔ刊塑ｄｔ）’／Ｉ。，（２．１４）、因为相对而言掣、＿ａｐ以为＿ＯＶ都可以忽略，故可以将式（２．１４）简化为：ｏ＇ｘ ｏ＇ｘ ｏ＇ｘ却豢＝ｐ鲁＋ＡＯｘ ｎｆｄ衍Ｐ－ ｎｆ（２．１５）即一一ＯＶ：一１瓠 变换后可得ａ３ｃｄＡ一一＝一ｌ…一ｌｄｔ＼ＡｄＰ ＰＡ ｄＰ ｄｔｄＰ＋一１尘一ｄＰ ｏ ｄＰ ｄｔｄＰ）（２．１６）一型：鲨ｆ，三坐＂４。－三尘、１ ａｘ（２．１７）根据波的传播速度公式，式（２．１７）可改写成一一＝一一 ｄｌ阳２展开可得ａｙ卯１（２．１８）一――＝―＿ｌ――＋――――ｌａｖｆ卯卯出１ 出ｐａ２ Ｌ Ｏｔ‘Ｏｘ ｄｔ／１（２．１９）即一面ＯＶ＝石Ｉ（ＯＰｗ篆） ａｘ）叙ｏ（２．２０）由于水头Ｈ：一Ｐ＋ｚ，可以对Ⅳ取其对，的偏导数，则为７ ａＨ 、ａＰ Ｏｚ ――＝――――＋―― Ｏｔ Ｏｔ ｙ Ｏｔ（２．２１）而鱼Ｏｔ＝。，故可得０Ｐ‘ａＨ百２ ｙ百 ａｔ 魂对Ｈ取其对Ｘ的偏导数，可得（２．２２）．１２．一＝ｙ一一。ｙ一 瓠‘融‘融将式（２．２２）及式（２．２３）代入（２．２１）中，得ａＰａＨ己Ｉｚ（２．２３）一生里：望＋ｙｆ，塑一鱼、ｌ 西 ｇ舐 Ｌ 苏／Ｏｘ（２．２４）在式（２．２４）００，有＿Ｏｚ：＿ｄｚ：一ｓｉｎａ，将其代回式（２．１ １）中，得出瞬变流连续方 ＯＸ ａｘ程式ｉＯＨ＋ｙｆ掣“ｎ口１＋尘罢：０ Ｌ苏 ／ ｇ苏西ｄＸ（２．２５）、 ７在大多数工程应用中，ｖ Ｏ．Ｉ－Ｉ项以及管道底坡项相对来说是很小的，可以忽略 掉，从而得到简化方程如式（２．２６）：ａ２望Ｏｘ＋鲥丝Ｏｔ＝ｏｕ（２．２６）～ ，２．４有压管瞬变流方程求解２．４．１计算方法简介到目前为止，管网瞬变流水力分析模型方法大致有：算术法、图解法、特征 线法、代数法、隐式法、线性分析方法、波面分析法等¨３一引。有关瞬变流问题的 研究最早起于国外：牛顿与拉格朗同最先对水波在渠道中的传播以及声波在空气 中的传播作出了研究。蒙吉在ｌ ７８９年提出了偏微分方程的图解法并首次提出了特 征线法。茹科夫斯基在ｌ ８９７年发表了有关瞬变流理论的经典报告。国内方面，在 ２０世纪６０年代前对瞬变流理论及其应用研究很少，通常只能采取较简单的解析法 和图解法，而这类方法对复杂的管道和特殊边界条件束手无策，与国外差距甚远。 ６０年代以后，随着电子计算机技术的同益发展成熟，复杂管道系统的瞬变流问题 计算分析成为可能，从此开辟了瞬变流计算的新纪元。从那时起，在实际工程的 管道系统瞬变流计算中，数学模拟方法逐步取代了解析法以及图解法。以瞬变流 基本微分方程为基础，运用特征线，将基本方程转化为便于计算机运算的有限差 分方程式，这样以来不但能成功解决复杂管路系统和边界条件的瞬变流问题，而 且可以适用于气液两相瞬变流的研究，较大提高了计算精度及效率。本文研究主 要是采用特征线法，并考虑各种边界条件来求解瞬变流动情况下水压以及流量的 时空分布。叠压供水设备对市政管网供水影响的研究２．４．２特征线法前面已经推导出了瞬变流基本方程，其是一组偏微分方程，．－－Ｉ以用差分法或 特征线法求解。下面利用特征线法进行求解。 ２．４．２．１特征线方程 由上可知，运动方程和连续方程多是双曲型偏微分方程，对于这类方程，可 以用隐式有限差分和特征线法进行求解。 特征线法求解步骤为： （１）将偏微分方程组转化为特征线方程； （２）将特征线方程进行积分成有限差分方程； （３）根据有限差分方程和管路系统的边界条件方程编程计算。 在实际计算中，常采用特征线法将偏微分方程变成特殊的全微分方程，然后 对全微分方程进行积分而得到便于计算机编程的有限差分方程来求解有压管道瞬 变流问题。用未知因子五对运动方程以及连续方程进行如下线性组合，可得： Ｌ＝厶＋五Ｌｚ＝０即（２．２７））（挈＋ａ２罢）＋五鲥（掣＋万１驾＋ＲＱ蚓＝０（２．８０ｔＣ％Ｏｔ允Ｏｘ’若Ｈ＝Ｈ（ｘ，ｔ）和Ｑ＝Ｑ（ｘ，ｔ），则其全微分可写为掣：望＋塑一ｄｘ ｄｔ ａ）ｃ ｄｌ 氆（２．２９）、 。一ｄＨ：丝＋望一ｄｘ ｄｔ ８ｔ ａｘ ｄｌ定义未知因子五：±一１（２．３０）、 。（２．３ １）将式（２．２９），（２．３０）和式（２．３１）代入式（２．２８），可以得到下面两组方程当＿ｄｘ：口时，有百ｄＱ＋了ｇＡ百ｄＨ＋劂纠＝。 ｄｔ ｍｌ ｔ（２．３２）ｎ当＿－ｄｘ：．口时，有百ａＯ一了ｇＡ百ａＨ＋删纠＝０ ｄｔ ｄｔ―１一ｌｎ（２．３３）方程冬：口以及＿ｄｘ：一口代表ｘ．ｆ平面上的两条直线，称为特征线。特征线法原 ｄｔ ｄｔ埋图如图２．２所示，其中方程冬：口称为正特征线方程，可以用Ｃ＋表示；式（２．３２）是正特征线上成立的相容方程，即满足方程车：口，则式（２．３２）ｈ－戋－蟊芦；方程冬：．口 ｄｔ ｄｔ称为负特征线方程，可以用Ｃ一表示；式（２．３３）是负特征线上成立的相容方程，即满足方程＿ｄｘ：口，则式（２．３３）成立。ｔｏ＋ＡｔｔｏＯ图２．２ ｘ―ｔ平面上特征线法原理图Ｘ在ｘ一，平面内沿着了ｄｒ：口和＿ｄｘ：．口两条特征线，全微分方程（２．２９）和（２．３０）有 ｄｔ ｍ效。设在，＿，。时刻沿管道的各点状态已知，为了求出ｆ＝ｔｏ＋Ａｔ时刻Ｐ点各个状态， 可沿正特征线么Ｐ，将方程（２．３２）进行积分计算，可得：ＱＰ―ｇ＋丝（坼．Ｈ月：）＋ＲＧ ＩＧＩ＝０以（２．３４）同样可沿着负特征线即，将方程（２．３３）进行积分计算，可得：ＱＰ一绋＋丝（坼．玩）＋Ｒ绕Ｉ绕｜＿０口（２．３５）上述式中摩擦损失相应为由Ａ点（或Ｂ点）至Ｐ点的积分，可近似取为：Ｆ＝Ｒ幺ｌＱｌ△，式（２．３４）矛１１（２．３５）可以写成如下形式： 正特征方程： Ｑ１．＝ｃＰ―ｃａＨ 负特征方程： Ｑ，＝Ｃｎ―ＣａＨ，，式中：Ｐ（２．３６）Ｑ．３７）（２．３８）叠胨供水设备对市政管网供水影响的研究ｃｏ：丝口（２．３９）ＣＰ＝Ｑ＋丝矾一ＲＱ ｌＱｌ“（２．４０）Ｇ＝绋＋丝％一尺绋ＩＱＩ“（２．４１）正特征方程（２．３７）沿正特征线彳尸有效，负特征方程（２．３８）沿负特征线凹有效。对于每个计算时段来说，ｑ和Ｇ都是已知的，Ｃ口为管道特性常数。在这两个方程中只有两个未知量，即Ｈ，和ｇ，故两个未知量可由两个方程解出来。流量绋可由下式确定：ｇ＝ｏ．５（ｃ卢＋Ｇ）（２．４２）日。可以由（２．３７）和（２．３８）确定，所以利用方程（２．４２）和式（２．３７）或（２．３８）式就可 以确定时段末所有内部断面的状态。在上游边界负特征方程是有效的，而在下游 边界正特征方程是有效的。但要确定时段末边界节点的状态，还需要边界条件方 程。 在ｘ―ｆ平面上，将区域纵坐标按照址等分，从而得到如图２．３所示的网格图。 网格中的节点便是所要计算的管道断面。在ｔ＝ｔｏ时各个节点的状态为初始稳定状 态。首先计算ｆ＋出的系统状态，利用特征方程可计算各内部节点的状态。上游边 界节点利用负特征方程和上游边界方程进行计算，下游边界节点利用正特征方程 和下游边界方程进行计算。然后计算ｔ＋２Ａｔ时的系统状态。这时ｔ＋Ａｔ时的系统状 态已经知道，重复前面的计算步骤，直到算出系统所有状态为止。。ｔＩ ＼＼． Ｉ ‘弋‘／ ＼＼．７＼‘ 一／’ ．７八Ｙ。ｔ＾Ｙ＾Ｙ＾Ｖ图２．３简单管道系统ｘ－Ｉ网格图２．４．２．２有限差分法 特征线方程组已可说明特征线法的特点，但由于受到计算机的限制，特征线 方程组还不能应用于程序的编制中，所以需要改造成为有限差分方程组。 将式（２．３２）从ＡＮＰ点沿特征线Ｃ＋积分，可得：了扭＋云耋坦＋ｊ２９ＤＬＡ２ ｋ，＂蚓衍＝。常数Ｑ＝ＱＡ，故将上式积分后可得ｃ２舢，沿直线Ｃ＋积分，Ｑ从ＱＡ变为ｇ，但当Ａｔ很小时，可设微小时段内的流量为坼。以＋刍（绋。Ｑ）＋番Ｑ ＩＱＩ（。＿）＝ｏ同样的对微分方程式（２．３３）沿Ｃ一特征线进行从Ｂ至Ｊ］Ｐ点的积分得（２?４４）耳一％＋ｉａ（绋一Ｑ）＋番绋ｌＱＩ（。一ｂ）＝ｏ程中，日Ｐ和Ｑｐ为未知数，通过代数运算可以得出。（２?４５）式（２．４４），ｆｆＣｚ－戈（２．４５）称为有差分方程，ｄｔ和出取值越小，它们就越接近原积分 式（２．３２）、（２．３３）的值。式（２．４４）、（２．４５）中带有角标Ａ和Ｂ的各参数，表示计算时 段开始的一瞬问ｔ月和ｔＢ时已知值，ｒ尸是规定时段的终值，所以在两个有限差分方图２．４简化差分公式的矩形网格因为波速恒定，故两个特征线方程即是两个斜率恒定的直线。所以可以用图 ２．４中的矩形网格来描述两个有限差分方程式的运算。 管路被划分为Ⅳ个间距均为出的步段，用ｆ表示断面排列序号，始端断面为ｉ＝ｌ，终端段面为ｉ＝Ｎ＋Ｉ，则计算时段应为础＝竺，在以出和饥为单元组成的矩形口ｏ”网格中，所有的对角线都是特征线。Ｃ＋为正特征线，Ｃ一为负特征线，从ｔ＝０的 初始状态开始进行计算。在第一个计算时段，因ｄ和Ｂ的参数已知，用相容性方程 （２．３２）和（２．３３）就可以算得尸点的参数。第一个时段结束时除边界点上的参数外， 网格内的其它节点均可以依此法求得，可根据边界条件进行求解边界点的参数。 也可相类似的把矩形网格中全部节点的参数完全计算出来。叠压供水设备对市政管嘲供水影响的研究如Ｂ＝云，Ｒ＝面ｆＡｘ，以９Ｐ，，巩代表时段终点时的参数，用Ｑ，凰代表时段初始时己知的参数，那么，式（２．４４）和（２．４５）可以转化为下列形式：Ｈｎ一耳一．＋Ｂ（鲰一Ｑｆ―Ｉ）＋ＲＱ一。ＩＱ一。Ｉ＝ｏＨｅｉ―Ｉ－Ｉ，＋。＋Ｂ（绋，一Ｑ＋．）＋ＲＱ＋．ＩＱ＋。Ｉ＝０把常数和计算时段开始时的已知参数合并，则上两式可以改写为： Ｃ＋：Ｈｅｊ＝ＣＰ―ＢＯｐ，Ｃ一：Ｈ（２．４６）（２．４７）（２．４８） Ｑ．４９Ｐｉ＝ｃＰ七ＢＱＰｉ其中Ｃｅ＝Ｅ一。＋曰Ｑ―ｌ－ＲＱ，一Ｉ｜Ｑ―ｌｌ（２．５０）（２．５１） ＣＭ＝ＨⅢ一ＢＱ＋，＋尺Ｑ＋。ｌＱ＋。Ｉ 综合参数Ｃ尸和％，可在各计算时段开始时先算出。式（２．４８）幂１：ｉ式（２．５０），也 可写为日一：生导ｚＱＰｉ警式（２．５２）至Ｕ式（２．５３）就是适合于输入计算机程序的相容性方程。 ２．４．２．３稳定和收敛条件（２．５２） （２．５３）在有限差分法中，当破和出取值趋近于零的时候，可以得到精确的解，这时 就认为计算时收敛的。如果因为方程中用有限项有理数表示无理数所引入的误差 在求解过程中不会增大，那么这种方法被认为是不稳定的；相反，引入的误差小， 在求解的过程中不会增大，那么就会被认定为稳定的。可以证明，收敛包含稳定。 可兰特，奥布雷恩和普肯斯指出，要使得差分方程式计算时稳定的，那么必 须满足一下条件尝＜一１差分格式条件为?．（２．５４）这个条件就意味着图２．２中通过Ｐ点的特征线不应落在ＡＢ线段以外。对于中心譬：一１（２．５５）只要方程（２．５５）得到满足，差分格式就可以得到精确的解。 故有限差分方程式的稳定条件是石Ａｔ≤＝１（２．５６）方程（２．５６）也被称为可兰特稳定条件。 ２．４．２．４基本边界条件 上面已经提到，用特征线法计算有压管瞬变流时，对于边界节点还需要边界 方程才能求解。下面介绍工程上常遇到的几种比较简单的边界条件方程式： （１）上游为恒定水位水库（水池） 对于容积大的水库（或水池），短时间内库水位（或池水位）是不会变化的，即管道入口处的水库水头为常数。当管道流速水头器和进口阻力水头损失 等较大而需要考虑时，上游为恒定水位水库（或水池）的边界方程可写为 砟＝％＿（１均鲁库的边晃方程简化为Ｈ。＝／－／．（２．５７）式（２．５７）中，峨为水库水位与指定基准面之间的高程差；ｆ为进１３阻力水头损失系数，其中正向流动时系数前的符号取“＋”，反向流动时系数前的符号取“．”。 当管道流速水头和进１３阻力水头损失较小而可以忽略时，上游为恒定水位水（２．５８）（２）下游端为盲端 盲端处Ｑｐ＝Ｏ。因此， （２．５９） （３）离心泵 离心泵正常运行时，水泵的转速不变，其水头流量关系可用图２．５所示的二次 曲线近似表示。ＨｐＨｏＨＲＯＱＲ 图２．５离心泵水头．流量关系曲线Ｑｐ叠压供水设备对市政管网供水影响的研究该二次曲线的方程司表不为Ｈ．Ｉ，＝／４０一蟛水头和额定流量，ｋ为常数，并可按式（２．６１）计算：（２．６０）式（２．６０）中，风为关阀状态，即Ｑ＝０时的水头， ％和缘分别为水泵的额定ｋ：―Ｈ―ｏ――－；Ｈ―Ｒ联式（２．６１）与泵边界处的特征方程联解，可求出泵的水头和流量。 （４）下游端为阀门 在稳定流态时，可以将通过阀门的流量表示为（２．６１）Ｑｏ＝（Ｇ４）ｏ√２碱式（２．６２）中，Ｇ为阀门阻力系数，４为阀门面积。在过渡流态时，通过阀门的流量可以表示为（２．６２）绯＝（Ｃａ＆）、／２９Ｈｐ将阀门的相对开度定义为（２．６３）ｒ＝羔将式（２．６３）除以式（２．６２）取平方，并将式（２．６４）带入后得到亿６４，鳞＝警以以正特征方程式（２．３７）的日。代入式（２．６４），得到‘（２．６５）鳞＋Ｇｇ―ｃ卅ｅ＝０（２．６６） （２．６７）舯，解式（２．６７）并取正根得到。Ｇ＝等ｇ＝ｏ．５（－Ｇ＋√口＋４Ｃｒａｇ）（２．６８）由式（２．６８）求出阀门通过的流量后，利用正特征方程式（２．３７）可以解出 阀门处的水头何。。为了计算阀门开启或关闭的开度，可以把ｆ―ｔ关系曲线做成表 格，以便计算时用。值得注意的是，ｆ＝１相当于阀门在水头１４０下通过流量Ｑ０时的 开度。 （５）下游端为孔Ｅｌ 孔Ｖ１可以看成丌度一定的阀门，故可以按照阀门的公式计算。（６）串联管 当管道中存在管径不同的管道时，不同管径管道连接处的边界，即为串联管 边界，由于不同管道的管道特性常数不同，所以采用双下标才足以表示管道的位 置。用第一个下标表示管道，第二个下标表示管道断面。如忽略串联接头的局部 水头损失和流速水头差别，对串联管１和２的接头处可以写出如下的方程。 水头平衡方程：Ｈ从＝％．．流量连续方程：（２．６９）％。。＝％．．正负特征方程： 对于断面（１，ｎ＋１）和断面（２，１）可以写出如下正，负特征方程（２．７０）绋。。＝ｑ―ｑＨ从。 纵。＝吒一Ｃ口２Ｈ胁联立式（２．６９）至式（２．７０）可得（２?７１） （２．７２）％。＝鞲水头方程可以写为（２．７３）其余三个未知量，可以分别由式（２．６９）和式（２．７１）以及式（２．７２）求出。 若串联管的局部水头损失和其流速水头差别大，不可忽略，那么串联管接头处的％。＋等呶州均掣联立式（２．７０）至式（２．７２）以及式（２．７４）得到亿７４，式中，＜为局部水头损失系数，ｆ前符号正向时取正号，反向时取负号。‰＝塑１气半式（２．７５）中，各个常数分别为（２．７５）彳＝瓦１‘虿１一等】Ｂ：上＋上ｏｌ ０２（２．７６）（２．７７）ｃ：垒＋一Ｃｍ２ （一Ｉ口ｌ ｃ０２其他未知量可以通过式（２．７０）不式（２．７２）确宗。（２．７８）叠压供水设备对市政管网供水影响的研究（７）分岔管 首先定义管道编号，主管为１，两条直管分别为２和３。忽略分岔管局部水头 损失和主支管之间的流速水头差别，可以得到如下方程。 连续方程：绋ｈ＋。＝ｇ：．。＋ｇ。特征方程：（２．７９）ｇ。川＝巳。州一ｅ。砟川 ｇ：。＝ｅ：。一ｅ：／－Ｉ，：． 纬，。＝Ｇ，．一ｅ，砟”水头平衡方程：（２．８０） （２．８１）（２．８２）砟ｈ＋。２％：．。＝以¨Ｈｐ，．１，％。可以由式（２．８３）确定，绋。。，％．．和％．可以由式（２．８０）到（２．８２）确定。‰＝莆（２．８３） （２．８４）２．５本章小结本章回顾了我国城市供水管网建模发展历程，介绍了其现状情况，随后详细 介绍了有压管瞬变流理论、瞬变流两大基本方程及其解法，分别介绍了瞬变流方 程的各种计算方法，着重阐述了有压管瞬变流的特征线解法。第３章基于ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ的系统建模及工程应用３．１ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ管网系统建模３．１．１软件平台选择现代供水管网模拟软件一般都采用图形化用户界面，更易于模型的建立和结 果的可视化表现，多数软件集成了ＧＩＳ系统，对基础数据的采集和管理更加科学。 现在主要的供水管网分析软件主要有Ｂｅｎｔｌｅｙ公司的ＷａｔｅｒＣＡＤ、ＷａｔｅｒＧＥＭＳ， 美国环保署的ＥＰＡＮＥＴ，Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄ公司的ＩｎｆｏＷｏｒｋｓ，以及ＤＨＩ公司的Ｕｒｂａｎ 等Ｈ５￣４７１。还有进行一维分析的ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ、三维分析的Ｆｌｕｅｎｔ及Ａｎｓｙｓ等， 三维分析更关注对系统局部进行精细的三维流体计算，但对阀门与水泵等组件的 建模很难进行或计算成本太高，不适合于系统的综合分析。 ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ是ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ Ｌｔｄ．公司在英国克兰菲尔德的流体力学研 究协会协助下开发的一维流体动力系统仿真平台，ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ凭借其内置强 大的一维流体动力系统解算器，及面向工程、成熟、完备的流体动力系统仿真软 件包，成为一款专业的一维工程流体管路系统的分析软件¨引，擅长于对流体管路 系统进行整体分析。对于各种复杂的流体管网系统，都可以用其进行快速有效地 建立精确的系统模型，并进行完备的分析。ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ己被广泛地应用在各 种冷却润滑系统、液压系统、水输送系统以及热管理系统的设计、优化和性能仿 真中ｎ９’洲，赢得了各行业工程师们的赞誉。本文所要研究的由市政管网系统和叠 压供水系统所共同构成的整体较为复杂。ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ作为一维流体分析软件， 由于拥有丰富的组件库，可以进行瞬态模拟，也可以得到系统实时动态结果，实 现对系统的动态分析，它与其他软件可以进行联合仿真，实现更为高级和复杂的 控制，同时因为也与其他软件有接口，故可以实现联合仿真。借助ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ 成熟的流体系统仿真功能来进行建模分析，不仅可以保证建模的通用性、提高模 型的可靠性，还可以节约大量的人力物力。就市政管网系统和叠压供水系统联合 建模而言，国内在其动态特性仿真方面尚缺少深入而系统的研究，一般的计算程 序不能满足Ｆ１益发展的水力动态特性仿真的需要。而ＦＬＯｗＭＡｓＴＥＲ是采用图形 化自动建模方式，这种方式可以进行任意组态，极大提高了系统建模的效率。只 需通过该软件“画”出流体系统的系统图，并且在作图界面上输入各装置相关的参 数，即可自动建立流体系统的动态特性仿真数学模型进行仿真，动态的输出各种 仿真结果。因此利用ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ先进强大特性来研究复杂管网系统的水力动叠Ｋ供水设街对市政管Ｉ）ｃｊ９供水影响的研究态特性就显得非常必要，它完全可以满足对本研究课题中系统建模分析的要求， 故决定选用ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ软件作为软件平台。ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ软件启动后界面如图３．１所示：蟹Ｆｌｏ ｗｍａｓｔｅｒ。一图３．１ ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ软件启动界面ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ管网系统分析流程如图３．２所示：。型。、，√ｒ囊’Ｉ！』，ｌ√，７‘ｒＩ。。Ｉ｝？｜Ｉ一７√。蔓７．，二：一～ 一统 ｕ参．、ｊ 馍Ⅲ析，ｒ乍，仆训篝●手斩粜７，∥－◆㈨粉＿◆恺糨 ；统 抹∥图３．２ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ管网系统分析流程图３．１．２软件主要的特点ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ具备以下八个主要的特点嵋¨： （１）简便的建模方式：ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ中建立的模型是基于图形界面的一维 流体系统图，其中的各个组件都可以用形象的图标来表示，通过简单的连接就可 以建立各种管网模型。 （２）齐全的组件库：ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ自带的组件库涵盖了目前流体系统所需 的绝大多数标准组件，这些组件可以满足管网系统的建模需要。也可以自行将新 开发的组件加入到原有组件库中。 （３）精确的预测：ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ中组件模型主要是基于压力．流量关系， 所以软件的基本功能就是对管网系统的水力特性进行精确的计算。对组件进行建 模时只需要输入能够反映组件流阻特性的数据就可以了。 （４）先进的优化设计：可以利用ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ对管网系统组件的尺寸、 流通面积等进行分析，给出一个优化范围来满足系统设计要求；而对于任意管网 系统，软件也可以针对给定的设计流量自动计算出组件所需的各种参数，大幅提 高管网的设计效率。 （５）精细的现象捕捉：ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ在进行瞬态过程分析时能够精细的捕 捉到流体系统的压力波动及其峰值，通过控件功能研究水泵和阀门等组件状态突 变时系统水力特性的变化情况，进而达到管网系统的优化设计，防止水锤以及气 蚀现象的发生，使管网系统处于安全状态。 （６）形象的结果显示：ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ进行运算分析所得结果包含各种数据， 通过动态的结果显示就可以知道系统内任何一节点以及组件的参数。 （７）丰富的第三方软件接口：ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ作为流体系统分析软件，具有 大量的第三方专业软件接口。 （８）友好的二次开发环境：以ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ为平台建立系统模型时，可 以方便的使用自己开发的组件，且可以在自带组件与新组件问实现完美的连接。３．１．３软件模块的选择ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ包含了一系列精心设计的可用于各种流体系统计算的模块：３．１．３．１ ＳｉｎｇｌｅＰｈａｓｅ模块不可压模块和可压模块，其中不可压模块主要用于液体及低压气态流体系统 的计算，包括稳念分析、瞬态分析、流体平衡分析、元件尺寸分析、部件耦合影 响分析以及传热分析。常用的有：管网系统技术、系统特性曲线计算、气穴分析、 气体扩散计算及汽车冷却及润滑系统分析。而可压模块常常用于气体系统模拟， 其中有稳态分析以及动态分析。这个模块典型应用有：气体加注站、气体供给分 配系统、压缩机系统分析及管路磨损分析。本研究是对管网系统进行瞬态分析，叠压供水设备对市政管网供水影响的研究故需要用到此模块中的瞬态分析功能，模块功能选择界面如图３．３所示：图３．３ ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ软件截面３．１．３．２ ＦｌｕｉｄＰｏｗｅｒ模块这个模块用于液压系统计算，其中包括稳态分析、瞬态分析、部件耦合影响 分析、传热分析，其典型应用包括发动机燃油喷射系统、液压动力系统以及润滑 系统。 正是由于ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ具有多种不同模块，所以能够快速而准确的对各种 复杂流体系统进行仿真计算。而本研究需要对市政管网系统以及叠压供水系统进 行联合建模，故采用Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈａｓｅ模块中的不可压模块进行模拟分析。３．１。４模型简化的原则对管网系统进行建模的原则如下： （１）对于系统中阻力较小的部件，可以忽略； （２）以ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ组件库罩的离散损失组件代替系统中众多的流阻， 需要遵循的原则是该部件流阻等于被代替的众多组件的流阻之和，其计算所用的 数学模型如式（３．１）所示：ＡＰ《譬“筹其中：△Ｐ－压降；Ｋ－摩擦系数；Ａ一管道横截面积（ｍ２）；Ｑ一体积流量（ｍ３／ｓ）３。２（３．，）ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ仿真计算原理作为一款流体仿真软件，ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ在进行仿真计算时可把管网系统视为由一系列基于压力．流量关系的组件模型所组成。组件间以节点逻辑连接，用形 如ｆ（压力，流量）＝０的线性方程来描述各组件的流动，把管网系统中所有的组件 都看作阻力部件，阀门以及管道等相当于正阻抗，而水泵相当于负阻抗，所有组 件的阻抗均可由对应的水头、流量以及功率因素确定，则管网系统问题自然简化 为线性方程组问题陆引。３．２．１管道线性化对管网系统中的管道组件进行线性化处理，就可以得到如表３．１所示的线性方程喵引：表３．１管道组件的线性方程组ｆ，ｌ：山口类型 单出口组件 双出口组件线性方程ｍｌ＝４最＋骂 ｍｌ＝４＃＋呜罡＋蜀 ｍ２＝Ａ３丑＋４最＋最 小ｌ＝Ａｌ露＋４罡＋４只三出口组件历２＝Ａ４暑＋４￡＋４Ｂ ｍ３＝４Ｅ＋４￡＋４只表中：ｍ为质量流量；Ｐ为管元出口节点压力；Ａ，Ｂ为线性化系数。３．２．２阻抗损失线性化系数的确定如图３．４所示，对于两出口管道组件：２图３．４两出口管逼组件不意图这里把水视为不可压缩的，当管道横截面积恒定时，可以得到线性方程“压 力，流量）＝０为：△Ｐ：Ｋ＿ｐＶ２的，故式（３．２）中的流速须转化为质量流量。由连续性方程可得：（３．２）因为ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ软件是通过改变质量流量迭代的方法来进行模拟分析肚云口以（３．３）把式（３．３）代入式（３．２）中，可得：廿＝黑２ｐＡｚ（３．４）、 ，叠压供水设备对市政管网供水影响的研究考虑到质量流量的方向，方程（３．４）ｎ－Ｉ＂改写为：胛＝―叫 胛：野２，ｏＡ２（３．５） Ｂ５，、对于节点１以及节点２可以由式（３．５）导出式（３．６）以及式（３．７）：肋２一ｐ葡只 ＿ｌ＝丝Ｋｌ鬲ｉｌ即确只＿２（３．６）２箱忏动（３．７）把式（３．６）以及式（３．７）转换成标准线性方程式式（３．８）以及式（３．９）－孙箭片＋箱最 秸箱墨＋前Ｂ化系数： ４（３．８）（３．９）比较式（３．８）以及式（３．９）和表３．１中两出口管道组件的标准线性方程可得线性２雨－２ｐＡ２，Ａ２２－ＡＩｙ骂＝。４＝一Ａ。，４＝Ａｉ，岛＝０３．２．３管网系统线性方程组推导流量方程适用于管网系统中的任一节点，则对任一节点ｎ有式（３．１０）成立：＾，∑级＝吼ｉ＝１（３．１ ｏ）式中，∑?对节点ｎ有贡献的所有Ｎ个单元求和；Ｑ。一单元ｉ连接于节点１１的节点流量；ｑ。?输入该点的流量。３４图３．５管网系统示意图如图３．５所示，管网系统中包含了三个管道组件： 对于管道ｌ：聊１２＝ｑｌｌＰＩ＋爿２最＋研３ 鬲：ｔ＝逆，尸。＋以：昱＋以，对于管道２：（３．１１）（３．１２）／一／／３２＝蠢尸，＋《最＋元 ｍ一２３＝呸２ＩＰ３＋口乏最＋ｑ２３对于管道３：（３．１３）（３．１４）一ｍ４２＝ａ３１ｐ４＋口毳最＋靠 鬲Ｍ＝雹。尸。＋畦最＋咤根据质量守恒定律， 对于节点１，２，３可以得到质量流量方程：节点１：（３．１５） （３．１６）鬲ｚ，＝以，Ｐ。＋硅：最＋以，节点２：（３．１７）ｍ一２＋ｍ３２＋ｍ４２＝口ｉ１，置＋（司２＋《＋《）最＋《Ｂ＋《只＋叫。＋无＋以节点３：（３．１ ８）ｍ２３＝畦Ｐ２＋口刍Ｂ＋毛节点４：（３．１９）ｍ２４＝吐Ｐ２＋口刍只＋矗总线性方程组。（３．２０）将式（３．１７），（３．１８），（３．１８）禾３（３．２０）联立就可以得到图３．２所示的管网系统的３．２．４模型组件分析市政管网系统以及叠压供水系统建模包括各种功能组件，分别介绍如下：３．２．４．１流量源流量源用以提供一定的流量，进行瞬态分析时流量可以设定成时间的函数。 本研究中流量源用以模拟市政管网中的用水点，正流量相当于向管网系统中提供叠压供水设备对市政管嘲供水影响的研究流量，而负流量相当于用水点取水流量，当用户用水量变化较大时，也可输入流 量．时间曲线进行模拟。３．２．４．２水池水池在外部边界中算是最为简单的一种，在对其进行处理时，可以把与其相 接的节点处的水头压力视为定值。对于本文中的工程算例，由市政管网高地水池 重力供水，由于高地水池的贮水量很大，所以其出厂水压可认为恒定不变。在管 网系统中，水池也起到平衡水压的作用。３．２．４．３阀门在系统中使用了三种阀门组件：球阀、止回阀以及闸阀。用户用水量变化由 球阀控制，可将逆止阀简化为翼式止回阀，用以防止水锤的发生。用不同的损失 系数和流动因数计算不同种类的阀门。本文的模拟中没有通过试验标定实际工程 中所用到的阀门损失系数与流动因数，而是利用了软件自带数据库中的相应数据 作为分析参数，所以在实际工程中应对参数进行相应的修正。 ３．２．４．４离散损失 离散损失用以模拟管网系统中的水头损失，离散损失的流阻相当于被模拟的 流阻水头损失之和。 ３．２．４．５控制器 控制器的作用就是对软件中的泵、阀门等进行自动化控制，它可使用内建函 数实现其特定功能，也可以通过编写脚本程序的方式来实现对被控组件的调控， 甚至可以与其他外部应用程序实现联合分析，功能十分强大。该组件有多个输入 信号，输入信号可为测量器所测量的节点或流场状态参数通过计算后输出的信号， 也可为计时元件或信号生成器等输出的信号。输入信号模块可以用于接受各个信 号，以及给信号赋予软件系统所设定的单位。而控制算法模块可设置处理输入信 号的方式，然后按所设置的信号方法处理数据。一般有内建函数、编写脚本程序 和触发外部处理程序这三种处理方式。输出信号模块的功能是针对所控制的部件， 对输出信号设置相应的单位，使被控组件能接受该信号。３．２．４．６测量器测量器用于测量所连接节点或部件的瞬态流场状态参数，如节点压力或温度， 组件的流量、流速及液位等。它几乎可以测量系统中各种参数，同时可对所测量的状态参数进行处理变换，井以各种单位信号输出。测量器一般与控制器一起使用，并为控制器系统输入型号。 ３．２．４．７稳流罐 稳流罐是叠压供水系统中最为重要的组件之一，直接影响到整个系统的性能， 在用软件模拟时，应用了ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ软件组件库中的膨胀水箱组件模拟稳流 罐。叠压供水系统刚丌始运行时稳流罐内充满了水，增压时在原有水压基础上变频调速增压供水，按“差多少，补多少”原则增压，当市政水源压力较低，或稳流 罐出水大于进水量时，系统调整供水方式，罐内贮水容积可全部用来补偿市政水 源的不足。在稳流罐供应补偿流量时，真空抑制器开启，从而外部空气进入罐体， 所以能够起到防止负压抽吸作用。而市政水源停水且稳流罐水位也消耗到设定值 的时候，叠压系统增压泵会自动停车，等市政管网恢复正常后叠压系统自动恢复 运行。进行模拟时，应用了软件组件库中的膨胀水箱组件代替稳流罐，该组件是 用来模拟密闭且拥有两个支路的压力容器，两个支路的高度可以分别给定，由于 该设备是在常温下运行，所以不考虑组件内部和外界环境之间的热交换，同时可 以设定最小和最大保护压力，保证组件正常运行。图３．６为稳流罐模拟原理图：霄Ｉ‘ＩＮ研ｆ’… ｏＵＩ’【 ｄ１～、ｐｎＩＡ ｎ一讷―卜 Ｋｌ－ｏｕｔ＂●Ｐｌ嘲ＰｇＰｍａｘ●ＰｒｄｎｌＨ―－Ｋ２－ｏｕｔ１１１ ｈＰ２－ｈ?Ｉ－～胁．ｍ也ｑ，。『●：ｈ―ｅｒ‘“ｉ参割黼图３．６稳流罐原理示意图其中，Ａ一稳流罐横截面积，ｍ２；Ｈ一罐内液位，ｍ；只．罐内气体压力，ＭＰａ； Ｐｍ戤一罐内最大允许压力，ＭＰａ；Ｐｍｉｎ－罐内最小允许压力，ＭＰａ；Ｅ一支管１处压力， ＭＰａ；Ｐ２一支管２处压力，ＭＰａ；Ｑｌ一支管ｌ处流量，ｍ３／ｓ；Ｑ２．支管２处流量，ｍ３／ｓ； Ｚ．罐底部高出基准面的高度，ｍ；ｄ，．进口１处直径，ｍ；ｄ，一进口２处直径，ｍ；Ｈ． 罐高度，ｍ；ｈ．液面高度，ｍ；ｈ。．支管１高出罐底部的高度，ｍ；ｈ，．支管２高出 罐底部的高度，ｍ；Ｋ¨。一支管ｌ流进水头损失系数；Ｋ，删－支管ｌ流出水头损失系 数；Ｋ“。一支管２流进水头损失系数；Ｋ：州－支管２流出水头损失系数；Ｐ］－ｉｌ｝－－支路１内 边界压力，ＭＰａ，由ＫＩ－ｉｎ确定；Ｐ２－ｉｎ＂支路２内边界压力，ＭＰａ，由Ｋ２删确定；ＯＵＴ－ 信号输出接口；ＩＮ．信号输入接口。 罐内压力和水位变化受流量和罐的边界条件影响，当边界条件一定时，受压 力源流量和水泵的输出流量的影响。由于不考虑考虑系统热交换，所以罐内气体 温度恒定，遵循波马定律。 ３．２．４．８管道 在软件中，管道模型分为刚性管模型和弹性管模型：弹性模型适用于分析管 道内质量积聚的情况，对压力、摩擦力以及惯性力进行建模分析，求不定长流动叠压供水设备对市政管网供水影响的研究问题；而刚性管模型则不考虑管内质量积聚，管道长度相对于压力波在一个时间 步长内传播的距离较短，即管内流动参数改变一次的时间相对大于管线周期，管 道模型可采用刚性管建模分析。管道按其截面形状可分为正方形、六边形以及圆 形，本文中的管道均采用圆管，管道计算公式则选择海澄一威廉公式。在系统模拟 过程中，管内水的变化过程为恒温过程，温度恒为室温。 ３．２．４．９水泵 水泵模型主要有离心泵、轴流泵和混流泵三种，本模型系统采用离心泵模型。 可以通过软件所带的数据库来输入泵特性曲线并保存。当仅进行速度控制时可用 泵速控制器连接泵模型的接口实现，离心泵的运行状态可以用控制器连接泵模型 的接口调节控制来实现，其中状态．１为恒速控制，０为停泵，１为控制转速或转矩 运行，２为控制转速运行，３为控制转矩运行。３．３工程应用３．３．１工程背景介绍随着深圳特区的改革开放，沙头角片区内高层建筑同趋增加，高层建筑一般 都己增设了二次供水系统。因为二次供水的卫生质量已直接影响人们的身体健康， 而在特区由于各种因素较复杂，有关二次供水卫生问题显得特别重要。为了配合 实施《深圳市楼宇二次供水设施管理办法》，了解沙头角二次供水的卫生状况，利 于法规的贯彻执行，加强二次供水卫生管理，谢锦尧嫡钔在深圳沙头角片区内随机 抽查了１０２个二次供水水池的卫生设旌情况，现场调查水池清洁时间、卫生管理制 度、有无人负责，二次供水防护及污染情况。调查中发现二次供水水池若一年一 清洗，底部即有污泥层，故定期清洗很重要。另外，消防用水一般没有启用，会 形成静水管段，微生物容易在此繁殖，清沈时应注意。调查结果表明，二次供水 卫生管理不健全，大部分住宅没有专人负责，清洗间隔时间也较长或者不清洗。 深圳水务集团的水质调查结果反映，从供水方式分析，市政直供水的管网水 质指标合格率明显要优于二次供水水质，特别是余氯、细菌和色度指标，市政直 供的用户水质合格率为１００％、９３．４％和９７．６％，而经过二次供水后的用户水质这 三项指标已下降到９７．４％、８９．７％与８８．９％拍引。 正是由于传统二次供水方式水质的二次污染问题Ｒ益突出，而叠压供水方式 取消了水池，系统整体为全封闭式运行，也就不存在上述问题，所以相比之下叠 压供水方式就有明显的优势。３．３．２系统建模３．３．２．１市政管网系统建模 本工程实例中的市政管网为如图３．７所示的深圳市沙头角市政供水管网。图３．７深圳市沙头角市政管网结构图目前，深圳市沙头角片区已建成完善的市政管网系统，沙头角片区（含沙头 角、海山）由沙头角水厂及其附属管网供水，自成系统。据深圳水务集团统计资 料显示，沙头角水厂现状供水量约４万ｍ３／ｄ，高峰期时已达５万ｍ３／ｄ，系重力供 水方式，出厂水标高６０．９５ｍ，经过多年建设，沙头角片区供水管网已形成环状供水。根据深水集团资料显示，沙头角片区最高日设计用水量绋为４０８０７ ｍ３／ｄ，日 变化系数Ｋ，为１．２９９６，时变化系数瓦为１．２４。高位水池底标高为５５．９５ｍ，其有效水深为５ｍ。则最高时设计用水量：Ｑ：ＫｈＱａ：―１．２４ｘ４―０８０７：２１０８．３６ｍ３／】１：５８５．６６Ｌ／ｓ～。 ７’ ２４由于实际工程中的供水管