[发明专利]显式考虑动态摩阻的水锤有限体积模拟方法

说明书

本发明公开了一种显式考虑动态摩阻的水锤有限体积模拟方法。首先通过有限体积法对模型进行离散，用Riemann的求解器对离散通量进行求解，同时在计算中引入对流项。然后采用MUSCL‑Hancock方法进行重构得到二阶精度的Godunov格式，为了避免虚假振荡引入MINMOD斜率限制器，采用显式求解方法并将动态摩阻项考虑进去。最后运用虚拟边界的处理方法，实现计算区域的所有节点和边界的统一计算。本发明采用二阶有限体积法Godunov格式，显式考虑动态摩阻的影响，准确高效地对管道水锤过程进行数值模拟，从而为实现对管道可能发生的水力瞬变进行准确高效的实时预测监控提供参考。

技术领域

本发明涉及水力瞬变过程的模拟，具体涉及一种显式考虑动态摩阻的水锤有限体积模拟方法。

背景技术

抽水蓄能电站管道系统在能量转换过程中，为了满足电网负荷的动态变化，经常出现复杂的水力瞬态。由于水轮机/阀在水系统中某些操作不当而引起的危险水锤事件，有可能产生不正常的高压，引起管道破裂以及破坏其他液压装置。对可能发生的水击事件进行准确、有效的数值模拟，能够对抽水蓄能电站管道系统的合理设计和安全运行提供参考。现有的模拟方法主要有特征线法(Method Of Characteristics，MOC)、有限体积法(FVM)和计算流体动力学(CFD)法。

特征线法(MOC)因简单、高效、准确，被广泛应用于解决管道瞬变流问题。但是由于抽水蓄能电站的实际输水管道系统往往包含不同材质、不同长度的不同管段，不可能使一个复杂管道系统的所有管道中的库朗特数完全等于1，故在采用固定网格的MOC进行计算分析时可能需要通过改变波速或者网格长度来满足库朗特数条件，导致计算的复杂程度增加而且容易引起较大误差。

有限体积法(FVM)用于气体动力学和浅水方程问题时，在保证质量和能量守恒条件下，对于不连续问题可提供合理的求解方案，并可有效避免虚假振荡。基于FVM的Godunov格式(Godunov-type scheme,GTS)被引入来模拟简单的瞬态管道流动。对于简单的水击事件，当库朗特数为1时，FVM GTS可以获得与固定网格MOC相同的结果。然而，对于包括动态摩阻在内的更为复杂的水力瞬态问题，存在模拟精确度不高的缺陷。

计算流体动力学(CFD)方法在被应用于实现上游和下游水库整个系统的三维(3D)流动模拟时，能够准确地预测瞬态压力和能量转换，生动地反映物理过程。然而，由于计算量大、耗时长，导致难以利用三维CFD方法实现实时动态模拟和监测。

发明内容

发明目的：本申请的目的在于提供一种显式考虑动态摩阻的水锤有限体积模拟方法，解决水锤过程模拟计算精度和计算速度不高的缺陷。

技术方案：本发明提供了一种显式考虑动态摩阻的水锤有限体积模拟方法，采用基于有限体积法的二阶Godunov格式，通过显式计算考虑动态摩阻的方法来模拟管道水力瞬变过程，包括：

(1)根据有限体积法划分计算网格，针对划分的控制单元建立控制方程，基于工程实例确定初始条件以及边界条件；

(2)计算二阶Godunov格式下控制单元界面处水体离散方程的数值通量；

(3)加入动态摩阻项，利用Runge-Kutta法对水体离散方程的数值积分项进行显式求解；

(4)对水体边界处进行虚拟边界处理；

(5)根据二阶显式有限体积法的Godunov格式所满足的CFL条件以及源项稳定性约束，确定最大时间步长；

(6)求解水力瞬变过程。

进一步地，步骤(1)中建立的控制方程表示为：

其中，