工程科学与技术，国际期刊40（2023）101379部分膨胀式调压室自适应辅助系统控制管道Wuyi Wana，Yuhang Wanga，Xiaoyi Chenb，Hang Zhana，Tiao Wanga，Boran Zhangc，XiaoyiChen ba浙江大学土木建筑学院水利工程系，浙江杭州310058b上海交通水运设计研究有限公司，版权所有© 2019上海市沪ICP备0900002号c南洋理工大学电气与电子工程学院，新加坡639798，新加坡阿提奇莱因福奥文章历史记录：2022年11月20日收到2023年2月5日修订2023年2月22日接受2023年3月13日在线提供保留字：水 锤 SAC 调 压 罐压力控制时变模拟结构优化A B S T R A C T在长距离输水管道系统中，强烈的水击会引起管道坍塌。调压罐等压力控制设施已被广泛应用，以帮助控制广泛的压力波动。在我们的前期工作中，提出了一种弹簧自适应辅助控制（SAC）系统，并证明该系统具有显着改善的压力控制能力的普通调压室。在这项研究中，一个额外的解决方案，部分扩大的结构处理，引入到传统的SAC调压室，以进一步提高其功能能力。一维数值模型是在我们的内部代码的FORTRAN。确定了主要的几何参数，并对各种情况进行了定量研究根据几何参数的影响，提出了与传统的SAC调压室和普通调压室相比，部分膨胀SAC调压室在处理阀门关闭引起的水锤时具有更好的压力控制性能©2023 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍在长距离输水管道系统中，水击一直是一个重大的潜在威胁，可能导致管道坍塌或结构失效[1常见的压力控制方法包括延长阀门和泵的运行时间[4，5]，通过安装飞轮增加泵的转动惯量[6]，优化管道材料[7，8]，适当组织管道布局[9]，以及集成压力控制设施，如调压井和压力容器[10，11]。其中，调压室是最常用的技术之一，因为其在面对由不同原因产生的各种强烈压力波动时具有鲁棒性和可靠性[12，13]。此外，通常可将减压隧道改造为调压井，与其他额外的压力控制装置相比，这可以节省大量的财务成本【14】。迄今为止，研究人员对如何提高普通调压室的调压能力进行了大量的研究。例如，Wan等人[15]分析了大小*通讯作者。电子邮件地址：boran. ntu.edu.sg（B. Zhang）。以及稳压罐在管道系统内的集成位置对水锤控制的影响。结果表明，调压室断面越大或倾角越大，其瞬态压力控制性能越好;调压室布置位置越靠近水击源，其瞬态压力控制性能越好。此外，Vereide等人[16]研究了调压室节流对功率控制的影响。结果表明，当安装节流阀时，功率控制得到改善，产生的功率的超调量和到达稳态条件的时间也减少了。结果表明，节流阀对控制水力过渡过程有显著的作用。另一方面，本文还发展了计算方法，以预测过渡过程和评估调压室性能，具有较高的可靠性。Zeng等人[12]提出了一种插入代数方程的数值模型，用于求解带有调压室的水力系统中水轮机的动态特性调压室的投入大大提高了系统的可行性此外，Yazdi等人[17]评估了用于水锤控制数值研究的人工神经网络（ANN）、支持向量回归和自适应神经模糊推理系统他们通过将人工神经网络与进化算法相结合，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2023.1013792215-0986/©2023 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchW.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013792命名法H0上游水库水位（m）C正向特性线名称C- 反向特性线名称De扩径段直径Ds原点截面直径H0从连接点到膨胀段底部的高度Hr所需的膨胀节j节点序号k节点序号h压头（m）ttime，作为下标表示时间v流速（m/s）x沿管道距入口的距离（m）水击波速（m/s）g重力加速度（m/s2）h管道坡度fD主管直径（m）fq准稳态摩擦因数kbBrunone摩擦系数Dt时间间隔步长i节点序列号q断面流量（m3/s）Dx单元长度，空间间隔步长（m）B管道特性阻抗R管道阻力系数相容性方程中的CPq断面瞬时流量（m3/s）相容性方程中的CMhp智能调压室压头（m）ZS调压井水位（m）AS为调压井的横截面积（m2）QS调压室瞬时流量（m3/s）圆筒弹簧节流孔系数L0主管长度（m）C常数h为阀头（m）vns阀门流速（m/s）初始稳定状态下主管A0面积（m2）主管长度（m）n单管元件数H0上游水库水位（m）Tc 关阀时间（s）S SAC调压室的截面积（m2）H最大峰值压头（m）H最小槽压头（m）Ap水团振荡幅度（m）hLRT延迟响应阈值（m）hURT响应上限阈值（m）e指定精度控制缩略词CV止回阀MOC特征线法麦科马克时间推进方案PCM压力补偿模式PRM压力释放模式PRV储液器-管道-阀门系统SAC自适应辅助控制SM备用模式SV套筒阀算法和差分进化。在我们以前的工作[15]中，基于引入MacCormack方法和特征线方法的混合方法的内部规范，模拟结果表明，调压井相对于管内瞬态压力波动的延迟响应将在一定程度上改善其压力控制性能。泄流孔自动调节式调压室是一种智能型调压室，能够根据管道压力控制的实时性要求适时地发挥作用。随后，提出了一种弹簧自适应辅助控制（SAC）系统来实现自动调节功能，并对其主要结构参数进行了研究，以找到各种应用的最佳解决方案[18]。结果表明，优化后的SAC系统可显著提高普通调压室应对强水击时的调压能力。为了进一步提高SAC调压室的功能，提出了对SAC调压室进行部分扩容的方案。数值模型是基于我们以前在内部的FORTRAN代码修改，增加了部分扩大SAC调压室的边界条件。确定了主要结构参数，定量研究了它们对压力控制性能的影响。在此基础上，进行了局部展开结构设计的最优解搜索，并进行了大量的算例分析。结果表明，与传统的SAC调压室相比，优化后的调压室在最不利点处的峰值压力控制和全局极值压力分布曲线上都有明显改善。2. 模型建立2.1. 部分膨胀SAC缓冲罐调压罐的横截面积被证明是确定管道系统压力控制能力的重要因素[15]。通过附加SAC系统，正常的调压罐能够根据管内瞬态压力波动引起的实时需求智能地采取行动【18】。结合这两种解决方案，一个精心设计的部分扩大的横截面，预计将进一步提高SAC调压室的压力控制性能。图1显示了部分膨胀的SAC缓冲罐的示意图。图1（a）提供了安装在主管的一部分上的部分膨胀的SAC缓冲罐的3D透明视图。图1（b）确定了部分膨胀截面的三个主要几何参数。为了确定部分扩张段的制造，三个几何参数作为自变量，包括De（扩张段的直径）、H0（从接合点到扩张段底部的高度）和Hr（扩张段的所需高度）。本研究分别以大量的个案研究，对这三个主要参数进行全面的探讨。此外，初始SAC缓冲罐的其他参数，包括延迟响应阈值（hLRT）和弹簧孔系数（kSF），在我们之前的研究中进行了优化，并列于表1中。W.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013793@t@t@x2个DFig. 1.带SAC系统的部分膨胀式调压井示意图。(a)部分膨胀的SAC缓冲罐的3D视图。(b)二维截面中主要几何参数的识别。表1主管道和原SAC调压井参数。参数值上游水库水位（H0）48.0 m管道长度（Lp）2820 m设计流量（Q）0.12 m3/s关阀时间（Tc）8.0 s管道直径（D）0.40 mSAC调压井截面（As）0.05 m2Darcy–Weisbach friction factor水锤波速度（a）1000 m/s延迟响应阈值（hLRT）10 m弹簧孔板系数（kSF）150.0 N/mSAC缓冲罐提供三种模式以更好地降低极端管内压力冲击，分别为备用模式（SM）、压力释放模式（PRM）和压力补偿模式（PCM）。当管内压力增加时，SAC系统将保持待机模式，并且直到主管道和罐之间的压差超过延迟响应阈值才开始工作。随后，当管内压力条件足够严重时，SAC调压罐将在压力释放模式下工作。由于SAC系统在工况不太严重时，通过备用方式节省了调压室的潜在容积，使调压室能够全力抵抗管内压力爬升。类似地，当水箱内水位变得高于管内压力时，压力补偿模式将被激活，以通过旁路中的止回阀将补偿液体返回到主管道中来避免负压发生。在这些过程中，水箱水位的稳定性决定了控制管内压力波动的工作效率。更大的横截面积肯定有助于提高稳定性。然而，扩建的设计策略需要高度Hr，在不同的结构条件下有一定的控制性能，如图2（a）所示。调压井设置在下游阀门附近，水库水位视为恒定。当下游阀门快速关闭时，会产生一个压力波动波，并从下游向上游来回传递，这就是所谓的水锤。部分膨胀SAC调压室的性能可以通过比较不同结构设计、相同阀门操作和其他边界条件下的管内压力波动来评估图图2（b）给出了前面介绍的RPV系统的网格。所建立的模型以及原始SAC调压罐的参数列于表1中。上游水库水位为48.0 m，下游管道出口水位为40.0 m，基准面设置在管道中心线以下40.0 m。由于输水管道的长度远大于管道的横截面积，因此系统按一维模型处理MacCormack方法[18]用于求解主导时变计算，MOC（特征线法）用于求解部分膨胀式调压室的边界条件需要说明的是，我们关注的主要是水库与下游阀门之间的部分，阀门后的五根配水管代表下游配水管系统，计算模型中实际上没有2.3.控制方程对于有压管流，忽略传热影响，控制方程包括连续性方程和动量方程。关于一维简化，简化的瞬态流方程可以写成[19]。（@hv@ha2@v-vsinh¼0）膨胀开始高度H0仍不清楚。@vg@hv@vfvjvj¼0ð1Þ2.2.长距离输水管道系统其中，非定常摩擦系数f可按下式计算[20 21]。为了确定部分膨胀式SAC调压室的设计策略，有必要对部分膨胀式SAC调压室进行定量数值模拟。f/f2002kbD.@vsg nva。@v.Σð2Þ计算并揭示这些几何参数的确切影响，qvjvj@t. @x。特斯建立了附加部分膨胀SAC调压室的RPV模型（水库-管道-阀门），研究了其压力特性。其中fq是准稳态摩擦系数，kb是Brunone摩擦系数，其可以近似估计为[2223]：@t@tG@tW.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）101379421fvjvj-1q@h@v@v我@xi二号！@x2我三个！@x3我@xi@x2@x3@x我我@ti@t我图二. 数值模型的网格划分。(a)带部分膨胀SAC调压罐的管道系统布置图。(b)MacCormack方法的网格划分。pω。2Cω¼0：0047612 86Relog为 层流8>ht1/4小时。@htDx1。@2h时，tDx21。@3h时，tDx3· ··t@ht1371/4：=10. - 是的 不客气。 你好，>：ht效果可以表示为：1/4h- DxD@2小时Dx3小时时Dx“@h#2不-v@h-a2 @vvsinh3@x@x2个D.特我t.！tt t@4.@x g@xΣ54Þ@hthi 1-hiDx@2hhi 1-hi@h¼- g的值- v -符号vka。. ---@x1/ 4D x-2！@x2- -Dx如图 2（b），偏微分变换为在离散点处采用泰勒展开。同样，速度的一阶微分为：“tDt#kb¼Cω15： 29=Re0：0567ð3Þ第一章1随后，考虑湍流我i-1二号！我三个！我因此，压力的一阶微分可以表示为：W.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013795v我-v我-þ我hωht-G我Dxþ我htDtht我 @xiG@xi我¼-我我我我“t#“的。@ht#“哦。Dt2#.@vt不第一章1vtDx.@2v！不- -不第一章1vtþo ðDx Þ ð9 ÞhivtDthi1/4VtDt@ti. @vt你好Dt2ð5Þ@xiD ×2！W.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013796Dx我2MacCormack格式的主要步骤是：第一步是- 我我的hω-hω2vω-vω-ghi-hi-1-v tv i-vi-1-signvt kavi-vi-1 -f qv ijvij1k-13@x2Dx我W.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013797替换Eq。（4）在Eq.（五）：vtDtvt- g@ht-vt @vt-符号vt ka@vt -fqvijvij1k-1点i的泰勒展开式得到点i∈1和i-13其中，t是时间间隔步长，i是结O.Dt2表示时间的误差精度以秒为单位W.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013798v ωωv ω我我第二步，要先把空间划分好，然后再把空间划分好，然后将空间向后推，最后取平均值W.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）1013799命令，可以忽略。“#“#2vtht1-hta2vt1-vtW.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）10137910VTSinH31/4英寸Dt64.tttt.- 是的 tt。不t2017年5月W.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）10137911二、- 是的ΣW.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）10137912v ωivt-g hi1-hi-vt vi1-vi-signvt ka. vi1-vi. - fqvijvij1 k-1“#“#-vt@ht-a2@v不 陈德信IDx我DxI.D x.2个D1/4英寸Dt64.. -是 的Σ. Σ. . -是的不t2017年5月W.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）10137913ð10ÞW.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）10137914i i@xi我@xiI. @x i.2个DW.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）10137915ð6Þ“hωω#“hω#-v t我i-1-a我i-1卫星1/4英寸Dt64.ωω我DxωωGDxi.Σ. ωω .不不 Σ75W.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）10137916是：i iDx我DxI.Dx.2个DW.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）10137917ð11ÞW.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）10137918W.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）101379197我..我我>Zs;tDt-Zs;tAs¼Dt。Qs;tDtQs;t>6“#“第二个#“”：;htDtvtDt1hthωω1/2vtvωωð12Þ最大管内压力为60.97 m，最小为45.38 m，振幅仅为15.59 m。同时我我我最后，根据Eq. （12），通过匹配时间t到时间Dt的步长间隔，可以求解系统的数值解。通过边界条件，该方法可以求解管内瞬态过程中各节点的压力和速度。2.4.边界条件为了模拟反应堆压力容器（RPV）闭式系统的水击过程，采用了规则的MOC边界模型在常规调压井中，前向和后向差分方程可表示为：SAC调压室和普通调压室仅给出最大管内压力为66.5 m和68 m，最小压力为40.5 m和33 m，导致振幅分别为26 m和35 m。最严重点处的压力控制性能的改善表明，使用部分膨胀的SAC调压罐，管道系统在面临阀门关闭引起的水锤时更加安全，因为由于极端管内压力冲击而发生管道坍塌的可能性要小得多此外，图3（b）显示了沿管道的极限压力曲线。绘制了沿主管道不同点的最大压力曲线，包括最大管内压力和最小管内就像水火腿一样-mer是由阀合情况和缝合部位下游，“H Q#20112;1分2 h i-1;tq i1ta=gA-sgn.q i1tf Dxq21 =.2gDA2203下游端承受的压力波动最大，i;tDti;tDt---¼4-;i-;t.Σ5选择。然而，主管道是否能够承受压力hj; tDt-qj;tDtg=aAh j≠ 1;t-q j1ta=gA≠sgn.q j1tfDxq2=2gDA2-;j1;tð13Þ波动还取决于主管高度和材料特性。然而，较小的压力波动幅度-参考参考文献[24]，并定义B1/2a=gA，的垂直距离，这是建议之间的R¼fD x=.2gDA2mg，CP1/4hi-1;t 公司简介i-1;t -RQi-1;t. Q i-1;t . ，CMhi图3（b）中的上曲线和下曲线在估计安全风险评估和管道运行BQ i= 1;t=RQ i= 1;t= Q i= 1;t= Eq. (13)可以简化为：hi;tDtCP-Bqi;tDt14hj; tDtCM Bqj;t为了简化模型，约束方程将连续方程和压力方程视为：能力。与压力波动随时间变化的比较类似，极值压力曲线表明，部分膨胀的SAC调压室可以进一步提高SAC调压室的压力结果表明，部分膨胀的SAC调压室可以改善调压室的调压能力，无论是从随时间变化的压力波动还是从沿程的极值压力曲线来看，都是如此。渠道. 在下面的部分中，结构参数的影响8>=15Þ研究了部分膨胀结构的截面积、起始位置和总膨胀高度分别 此外，还提出了一种优化设计，Qs;tDtqi;tDt-qj;tDt在我们之前的研究中可以找到其他详细的限制，这些限制表达了SAC系统的工作策略[18]。上游边界条件被认为是水库的恒定水位，下游边界条件被插入一个流量控制阀，描述了阀门开度与流量系数之间的动态关系[15]。由于数值解的可靠性在我们以前的研究中已经通过实验验证[25]，因此在本研究中，我们主要讨论基于数值模拟的数字结果。3. 结果和讨论基于所建立的数值模型，对SAC调压室局部扩径段对调压能力的影响进行了定量模拟分析以随机工况（H0= 20m，Hr = 5m，Ae=0.5m2）为例，下游阀门快速关闭8s后，部分膨胀的SAC调压室启动，有效地降低了管内压力波动。图3显示了与时间相关的结果，并与SAC调压室、正常调压室和无调压室条件下的性能进行了比较。图3（a）显示了最严重点（排放阀上游侧）处管内压力变化的比较。可以看出，具有缓冲罐的三种条件都表现出比没有引入任何缓冲罐的条件小得多的压力波动。此外，在调压室的三种情况中，部分膨胀的调压室表现最好，评估所有参数的敏感性3.1. 部分膨胀尺寸除了我们在前期研究中研究的优化SAC系统外，部分膨胀SAC调压室的结构设计还可以通过三个几何参数来确定，即Ae（膨胀段的横截面积）、H0（膨胀段的起始高度）和Hr（膨胀段的总高度/所需高度）。首先，在其它参数相同的情况下（H0 = 10 m，Hr= 10 m），通过引入5种不同扩展截面积的情况，研究了Ae的影响。模拟压力波动过程的结果如图4所示，分别为最剧烈点处的压力波动和沿管道的极限压力曲线。发现在图4（a）中，较大的扩展横截面将导致更低的峰值压力。然而，减压与增加的面积并不是线性相关的，其中从Ae = 0.1到0.2的改善几乎为5m，而Ae = 1和10之间的差异仅为0.3m。这一发现表明，扩展横截面积的最佳选择可以确定为：0.5 m2或1 m2，考虑到调压室过度扩建的建设成本高。图4（b），极限压力曲线，关于最大压力分布曲线，提供了相同的建议。有趣的是，对于最小压力曲线，五种不同的情况在下游区域显示出一致的最小压力。这可以合理地解释为，部分膨胀的调压室对压力波动的控制是如此之好，以至于压力波动在负压力波被传递回下游区域之前就结束了。作为ðW.万，Y。Wang，X. Chen等人工程科学与技术，国际期刊40（2023）10137920图3.第三章。部分扩大截面（H0 = 20 m，Hr = 5 m，Ae = 0.5 m2）引起的改善的证明（a）最严重点的压力波动（b）管道沿线的极端压力和稳态曲线。图四、部分膨胀尺寸对压力控制性能的影响（a）对控制点（H0 = 10 m，Hr = 10 m）处压力波动的影响（b）对全球极端压力分布曲线的影响（H0= 10 m，Hr= 10 m）。对于上游部分，大于0.2m2的扩张截面可以保证最小压力曲线被控制在最佳值（与稳定流条件相比不出现更小的压力）。3.2. 部分扩张位置随后，通过保持Ae = 1 m2和Hr = 10 m，研究了部分膨胀段的起始位置H0。对同一阀门关闭引起的水击进行了数值模拟，选取了H0从0 m变化到5、10、15、20 m的5种工况 结果绘制在图1B中。 五、与Ae的影响不同，出现了最佳的H0，以最小化最严重点处出现的峰值压力，如图5（a）所示。随着H0的增加，峰值压力从0 m增加到10 m，然后从H0 = 10 m反弹到在H0= 10 m的条件极压曲线的结果图5（b）给出了相应的建议，其中红色曲线提供了两者之间的最小差异，表示压力波动的最小幅度。在实际应用中，建议先根据工程造价和当地的地质条件确定扩径截面面积，然后在假定扩径高度为无限大的情况下，确定扩径截面的最佳最后，根据仿真结果确定所需的膨胀段高度。所需的高度可以通过最大罐内水位减去扩展部分的起始位置来获得3.3. 部分膨胀高度为了证明所需的高度可以由SAC调压室的水位和膨胀段的起始位置来确定，还需要研究Hr和HHHH
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