大学城论文网站欢迎您!
站内搜索:
   
  
最新文章
基于MATLAB的给水管网可视化模型 和仿真计算
来源: | 作者:dxclww | 发布时间: 2020-05-20 | 2756 次浏览 | 分享到:
应用计算机建模解决管网设计计算与优化调度问题是当前给水管网新理论、新技术发展的基本方向。通过合理的设计和运行管理,可以提高给水管网的管理效率,节约运行费用。国内外的科研工作者们已经做 了大量工作并取得了相应的成果。以面向对象的高级语言如VB、VC开发的软件包已有不少得到了实际应 用。但是由于管网计算问题本身的复杂性,采用此类高级语言来求解管网数学模型也带来了开发周期长,对 计算机等硬件要求较高,计算速度较慢等问题。 Matlab是美国Mathworks公司自20世纪80年代中期推出的数学软件,它源于矩阵运算,并已发展成一种高度集成的计算机语言。Matlab具有强大的科学运算能力,提供了灵活的程序设计流程、丰富的函数库以及与其他语言的接口功能,加上高质量的图形可视化处理与友好的界面设计风格,它已成为当今工程界最 具活力,应用最广的软件之一。本文以Matlab作为开发平台,采用面向对象的可视化界面技术使用户能建立具有树状网和环状网的城市给水混合型管网可视化计算模型;并可根据管网的结构参数(如管网图形、管段长度、阻力系数、节点流量等)迅速进行平差计算得到各管段的流量和水头损失等水力要素;在此基础上获得各节点的水压以及水源点供水量、泵站扬程等参数;还能方便地对结果进行图形表达,从而可以全面了解管网的工作状况,为管网的优化调度运行,改建扩建,制订发展规模等提供科学依据。 1、计算机管网图形信息的表示方法 应用计算机解管网问题是根据管网的结构参数和运行参数求解管网的数学模型——管网稳态方程组。所谓结构参数或静态参数是指管网图、管径、管长、阻力系数、节点和地面标高等;运行参数或动态参数是指节点流量、各水源水泵特征参数、运行调度方案、吸水池水位和水塔水位等。首先要考虑到如何用方便的形式将管网的图形信息输入计算机。这些信息包括节点信息、管段信息和环信息等。输入时一般应满足下列要求:形式要具体,同时尽量减少存储空间;内容能满足解题所用的程序的需要;输入方式要灵活,并减少输入量;另外,对于混合型管网中环状网部分还要解决好衔接矩阵和回路矩阵的构建问题。 衔接矩阵尽管非常简单,包含了管网的全部信息,但在计算机上进行运算时并不是很合适,因为对较复 杂的管网而言,衔接矩阵占用的空间很大,而其中大部分的元素为零,即衔接矩阵为稀疏矩阵。 为解决上述问题,可将衔接矩阵表达的管网信息写成较小的矩阵即峰矩阵。所谓峰矩阵是每一管段只用两端节点的编号表示,矩阵仅占两列,行数等于管网的管段数。峰矩阵在直观性上不如联系矩阵,但计算机信息存储量小,且由该矩阵可以推导出联系矩阵和其它一些有价值的信息。由于第一列是管段的起点号,第二列是管段的终点号,故峰矩阵实际上还假定了管段的水流方向。每一节点上连接的管段数等于该节点编号在峰矩阵各列出现的次数。 在进行可视化操作绘制管网结构图的过程中,本程序将管段图形概化为直线,大用户简化为节点,沿线流量折算到节点,用户在界面绘图区以交互方式构建管网,输入必要的管网信息和进行数据存储。完成所有的前处理工作后,可以进行计算!计算时计算机按已存储的节点与管段的图形学关系,即可建立联系矩阵。Matlab是基于矩阵运算的编程语言,处理程序的编制简单高效。 2、流量分配和管径确定 管网模型建立后可以进行环状网初始流量分配以选择经济管径。根据管网技术经济理论,在一般情况下!环状网不可能出现最优的流量分配;流量分配要考虑经济性与可靠性并重,好的流量分配能降低管网造价和运行费用,并比较可靠。树状网的每根管段流量和流向都是唯一的,实现计算机求解很简单,而环状网可有不同的流量分配。流量分配的方法有节点累计法、最小平方和法、均分法%截面法等。由于最小平方和法在管段流量较大时有良好的均匀分配性,比较接近实际情况,也比较安全,故本文采用了最小平方和法。 在管网模型中,一旦管段流量确定,就可以根据界限流量表查算经济管径。对树状网而言,由于流量一 开始可以得到确定%故管径求算相对容易,而环状网的流量有一个平差调整的过程,管径求算也相应存在一个不断调整的过程。 当计算结果中的管段水头损失和流速超出规定的范围时,程序执行管径的自动调整。有些方法以管段流量和管径是否满足界限流量关系为控制条件, 但经试验发现,该法迭代次数多,还存在部分管段流量分配不合理%流速过小的问题。本文优先考虑了水头损失的限制,采用每千米管长的水头损失作为控制条件,控制标准可以人为设定,在环状网初分流量确定后,按初分流量初步选定管径,平差计算后,如有水头损失不符合标准的,应由计算机根据管段流量重新选定管径计算,如此反复,直到所有管段水头损失都符合要求为止。此法计算收敛速度快%结果与实际较符合,但有时也会造成管网末端或供水分界线(多水源时)附近流速较低,这种情况下适当利用本程序的手工调整设置很快就可以得到较好的解,总的来说工作的效率和精确度都有所提高。 3、管网平差算法的选择与实现 混合型给水管网的水力计算关键在于环状网部分的计算,且为了提高可靠性%城市给水管网也多建设成环状,环状管网的水力计算方法有很多种%常见的有求解环方程,求解节点方程,求解管段方程等。 目前已有的各种软件包各具特色,但基本算法都是对连续性方程、能量方程和管段压降方程的求解。一般认为,计算机求解时,宜采用解节点方程的方法,解节点方程法的方程数介于上述两者之间;它不需要输入回路矩阵信息;初始流量或初始节点水头的拟定比较简单,因而成为常用的重要方法。本文亦选用解节点方程法中的节点水压法来进行水力计算。 结语 城市给水管网的计算机模拟仿真是一项十分复杂的系统工程,通过对管网系统的模拟计算,可以对现状管网的运行状况作出正确的评价,并可为今后改扩建计划,给水工程中远期规划及管网事故处理提供依据。本文根据管网计算的特点,在充分利用Matlab提供的内部工具箱的基础上,建立了Matlab下具有GUI的任意管网计算可视化模型并探讨了其可行性与经济性,避免了繁琐复杂的编程和调试,提高了数学建模的效率,将主要精力放在模型的建立及机理分析方面:丰富了管网建模的手段和方法,有利于提高管网建模的质量。同时,在管网建模基础上如何充分利用Matlab的最优化工具箱来求解最优化模型进行管网系统的优化调度,还有着广阔的应用前景。
   


​                                                                                                           ​大学城论文网@2020​​​  粤ICP备08125947号-1​​​​​​​​​​​​​​