一种长距离有压系统物理模型与数值模拟耦合的过渡过程研究系统

本发明涉及长距离有压输水系统过渡过程研究，特别是涉及一种长距离有压系统物理模型与数值模拟耦合的过渡过程研究系统。

背景技术：

1、我建设现代化高质量水利基础设施网络，特别是长距离跨流域引调水工程，是解决我国水资源供需矛盾的重大战略举措。当前，我国引调水工程正向超长距离、超大规模、超大落差、多分水口与多支线方向发展，输水系统结构日益复杂，局部控制建筑物的水力特性对全系统过渡过程的影响愈发显著。合理经济的水锤防护措施是保障工程安全经济运行的关键，而精准的过渡过程模拟是水锤防护方案设计的核心基础。

2、现有长距离有压输水系统过渡过程研究主要采用三种技术手段：其一为纯一维数值模拟，该方法将输水系统局部建筑物视为节点，采用一维公式计算其水力特性，能够高效完成全线瞬态计算，但难以准确描述阀门、三通、弯管、泵站进出口等局部区域的复杂三维流场，导致局部水锤压力及空化特性预测偏差较大；其二为三维数值模拟，该方法可精确捕捉局部流场细节，但计算耗时巨大，无法直接应用于数十至上百公里的全系统过渡过程计算；其三为物理模型试验，该方法按照相似准则建立缩尺模型，可直接观测过渡过程中的压力、流量等参数，结果真实可靠，但针对超长输水系统，建设整体缩尺物理模型存在工程规模大、投资成本高、试验周期长、缩尺效应明显以及测点布置有限等明显弊端。

3、综上，现有单一研究方法均无法兼顾全局计算效率与局部模拟精度，且整体物理模型试验成本高、耗时长，难以满足现代超长距离复杂有压输水系统过渡过程研究的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种长距离有压系统物理模型与数值模拟耦合的过渡过程研究系统，通过局部物理模型与全局一维数值模拟的实时双向耦合，在保证全系统计算效率的前提下显著提高局部模拟精度，同时大幅降低物理模型试验的成本与时间投入。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种长距离有压系统物理模型与数值模拟耦合的过渡过程研究系统，包括物理模型模块、数值模拟模块以及双向耦合模块；

4、所述物理模型模块用于模拟长距离有压输水系统中局部建筑物的水力特性，采集局部上下游边界的水力参数；

5、所述数值模拟模块用于对长距离有压输水系统的上游有压输水系统和下游有压输水系统进行一维过渡过程数值计算，输出各时步管线段的瞬态水力参数；

6、所述双向耦合模块分别与物理模型模块和数值模拟模块通信连接，用于实现物理模型模块与数值模拟模块之间的实时双向数据交互，根据数值模拟模块输出的瞬态水力参数动态调控物理模型模块的边界输入条件，同时将物理模型模块采集的局部边界水力参数反馈至数值模拟模块作为计算边界，完成全系统过渡过程的耦合计算。

7、进一步地，所述物理模型模块包括上游水箱、供水管道、上游耦合节点、局部建筑物、下游耦合节点、下游水箱、回水管道以及供水水泵；所述上游水箱、供水管道、上游耦合节点、局部建筑物、下游耦合节点、下游水箱、回水管道、供水水泵依次连接构成完整的循环水系统。

8、进一步地，所述数值模拟模块包括工程边界设定单元、一维过渡过程计算单元以及数据读写单元；

9、所述工程边界设定单元用于输入长距离有压输水系统的上游水源水库边界、受水区水库边界以及管线基础参数；

10、所述一维过渡过程计算单元基于物理模型模块反馈的边界水力参数完成上下游有压输水系统的瞬态水力计算；

11、所述数据读写单元用于读取物理模型模块输出的边界水力参数，并将各时步的计算结果输出至双向耦合模块。

12、进一步地，所述双向耦合模块包括物理模型边界条件输出系统、物理模型边界条件输入与自动控制系统以及比尺转换单元；所述比尺转换单元分别与物理模型边界条件输出系统、物理模型边界条件输入与自动控制系统连接，用于实现物理模型与原型之间水力参数的比尺换算。

13、进一步地，所述物理模型边界条件输出系统包括压力传感器、流量计、多接口数据采集仪、光纤交换机以及用户端；

14、所述压力传感器和流量计分别安装在物理模型模块的上游耦合节点和下游耦合节点处，用于采集边界处的压力和流量数据；

15、所述多接口数据采集仪与压力传感器、流量计电连接，用于采集传感器输出的模拟信号并转换为数字信号；

16、所述光纤交换机与多接口数据采集仪通信连接，用于将采集的数据传输至用户端；

17、所述用户端用于接收、处理并存储边界水力参数，生成供数值模拟模块读取的数据文件。

18、进一步地，所述物理模型边界条件输入与自动控制系统包括工控机、伺服驱动器以及自动控制阀；

19、所述工控机与数值模拟模块通信连接，用于读取数值模拟模块输出的瞬态水力参数，并对比实测物理模型边界参数与数值模拟目标参数，计算阀门调控幅度；

20、所述伺服驱动器与工控机电连接，用于接收工控机发送的阀门开度指令并驱动自动控制阀动作；

21、所述自动控制阀安装在物理模型模块的供水管道和回水管道上，用于调节物理模型上下游边界的流量和压力。

22、进一步地，所述比尺转换单元的换算通过物理模型的几何比尺确定。

23、进一步地，所述局部建筑物为长距离有压输水系统中的控制闸、三通、弯管、泵站进出口中任意一种或多种的缩尺模型。

24、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

25、本发明通过实时双向耦合技术，利用物理模型精确模拟局部复杂建筑物的水力特性并修正数值模型边界，同时依托一维数值模型完成全系统瞬态计算，既避免了三维数值模拟计算耗时过长的问题，又解决了纯一维数值模拟局部精度不足的缺陷，仅需搭建局部关键建筑物的缩尺物理模型，无需建设覆盖全线的整体模型。

1.一种长距离有压系统物理模型与数值模拟耦合的过渡过程研究系统，其特征在于，包括物理模型模块、数值模拟模块以及双向耦合模块；

2.根据权利要求1所述的长距离有压系统物理模型与数值模拟耦合的过渡过程研究系统，其特征在于，所述物理模型模块包括上游水箱、供水管道、上游耦合节点、局部建筑物、下游耦合节点、下游水箱、回水管道以及供水水泵；所述上游水箱、供水管道、上游耦合节点、局部建筑物、下游耦合节点、下游水箱、回水管道、供水水泵依次连接构成完整的循环水系统。

3. 根据权利要求 1 所述的长距离有压系统物理模型与数值模拟耦合的过渡过程研究系统，其特征在于，所述数值模拟模块包括工程边界设定单元、一维过渡过程计算单元以及数据读写单元；

4. 根据权利要求 1 所述的长距离有压系统物理模型与数值模拟耦合的过渡过程研究系统，其特征在于，所述双向耦合模块包括物理模型边界条件输出系统、物理模型边界条件输入与自动控制系统以及比尺转换单元；所述比尺转换单元分别与物理模型边界条件输出系统、物理模型边界条件输入与自动控制系统连接，用于实现物理模型与原型之间水力参数的比尺换算。

5. 根据权利要求 4 所述的长距离有压系统物理模型与数值模拟耦合的过渡过程研究系统，其特征在于，所述物理模型边界条件输出系统包括压力传感器、流量计、多接口数据采集仪、光纤交换机以及用户端；

6. 根据权利要求 4 所述的长距离有压系统物理模型与数值模拟耦合的过渡过程研究系统，其特征在于，所述物理模型边界条件输入与自动控制系统包括工控机、伺服驱动器以及自动控制阀；

7. 根据权利要求 4 所述的长距离有压系统物理模型与数值模拟耦合的过渡过程研究系统，其特征在于，所述比尺转换单元的换算通过物理模型的几何比尺确定。

8.根据权利要求2所述的长距离有压系统物理模型与数值模拟耦合的过渡过程研究系统，其特征在于，所述局部建筑物为长距离有压输水系统中的控制闸、三通、弯管、泵站进出口中任意一种或多种的缩尺模型。