[发明专利]一体化交互式管路瞬变流动演示系统及方法

说明书

本发明公开了一体化交互式管路瞬变流动演示系统及方法，包括管道，其一端安装于设置有滑线变阻器的方箱内，另一端安装有闸阀阀门，其上安装有多圈旋钮电位器，管道上设置有多个多圈旋钮电位器，滑线变阻器和多圈旋钮电位器均连接有PC端。方法涉及建立特征线计算网格和非恒定摩阻的特征线方程组，将特征线计算网格沿C⁺、C^‑特征线进行积分得到特征线方程；采用特征线方程进行稳态过程模拟，得到管道各节点的水头、流量稳态数据，通过泄漏孔边界方程对管道各节点的水头、流量稳态数据进行处理。本发明一体化交互式管路瞬变流动演示系统及方法，解决了目前采用恒定摩阻模拟水击瞬变时无法对水击波的波形畸变、幅值变化进行准确预测的问题。

技术领域

本发明属于水力学数值计算技术领域，具体涉及一体化交互式管路瞬变流动演示系统，本发明还涉及管路瞬变流动演示方法。

背景技术

在长输管道运行过程中易引发水击现象，造成管道系统中局部压力过高，管道振动等风险。目前高校多数采用理论讲解及动画演示的方式讲述压管道瞬态流。然而实际工程中的管道长度非常大，教学仪器厂商提供的原理示意性质的演示实验装置跟实际工程中的管道输送相去甚远，实训效果较差。目前，压管道瞬态流也是工程设计中重要关注点，很多研究者们着重对泄漏管道进行仿真模拟，但是现有的恒定摩阻模型无法精细描述泄漏时瞬变水击压力波的畸变和衰减过程，只能简单模拟阀门关闭时的瞬时压降；在泄漏过程中压力变化容易受到多种因素的影响，比如泄漏参数、阀门关闭方式、摩阻模型等。

采用恒定摩阻来进行水击瞬变模拟，不仅对于水击波的波形畸变、幅值变化无法进行准确模拟，也会给后续的管道泄漏检测的准确性产生影响。因此，需要研究一种采用非恒定摩阻长距离管道输水瞬变流动过程的仿真演示系统，系统精细展示的瞬变流动过程。

发明内容

本发明的目的是提供一体化交互式管路瞬变流动演示系统，解决了现有技术中存在的采用恒定摩阻模拟水击瞬变时无法对水击波的波形畸变、幅值变化进行准确预测的问题。

本发明的另一目的是提供一体化交互式管路瞬变流动演示方法，解决了现有技术中存在的采用恒定摩阻模拟水击瞬变时无法对水击波的波形畸变、幅值变化进行准确预测的问题。

本发明所采用的一种技术方案是一体化交互式管路瞬变流动演示系统，包括支持台，支持台上放置有管道，管道一端安装于方箱内，方箱侧面设置有滑线变阻器，管道另一端安装有闸阀阀门，闸阀阀门上安装有多圈旋钮电位器，管道上设置有至少3个多圈旋钮电位器，滑线变阻器和多圈旋钮电位器均连接有PC端。

本发明的特点还在于：

方箱为亚克力方箱。

本发明所采用的另一种技术方案是一体化交互式管路瞬变流动演示方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将管道划分为上游边界、非泄漏管道段、泄漏孔段和下游边界；

步骤2、根据特征线法划分管道的计算节点和时间步长，建立特征线计算网格；

步骤3、通过Brunone非恒定摩阻模型建立非恒定摩阻的特征线方程组，将特征线计算网格沿C⁺、C^-特征线进行积分得到特征线方程；

步骤4、实时读取管道泄漏点的位置、大小，阀门的开度和水库水位；采用特征线方程对上游边界、非泄漏管道段、泄漏孔段和下游边界进行稳态过程模拟，得到管道各节点的水头、流量稳态数据，通过泄漏孔边界方程对管道各节点的水头、流量稳态数据进行处理；

步骤5、实时读取管道泄漏点的位置、大小，阀门的开度和水库水位；采用特征线方程对上游边界、非泄漏管道段、泄漏孔段和下游边界进行瞬态过程模拟，得到管道各节点的水头、流量瞬态数据，完成对整个管道瞬变过程的模拟。

本发明的特点还在于：