复杂环状管网水力计算方法探讨

节　　　能2005年第9期

　　　　　　　　　　　　　　　　　　ENERGY CON SERV AT IO N 　　　　　　　　　　　　—16—(总第278期)

复杂环状管网水力计算方法探讨

李德波, 菅从光

(中国矿业大学机电工程学院, 江苏徐州221008)

摘要:运用流体力学、数值计算方法的相关知识, 详细地分析了影响复杂管网水力输送的因素, 提出了复杂环状管网水力计算方法。通过严密的数学推导, 导出了节点流量修正量的一般表达式, 运用V B 编程实现了徐州市某小区自来水管网的水力计算, 通过联立节点流量连续性方程和管段水力损失平衡方程建立的管网水力平衡计算模型, 具有收敛速度快, 精度高, 克服传统计算方法水力损失与节点流量不平衡的缺陷, 是目前大城市复杂环状管网水力计算的有效方法。关键词:数值计算; 复杂管网; 水力计算

中图分类号:T U822　文献标识码:B 　文章编号:1004-7948(2005) 09-0016-03

1引言

由若干管道环路相连接, 在节点处流出的流量来自几个环路的管道系统称为管网。例如城市给水管网, 由许多给水管道组成, 遍布在城市的地下, 解决城市给水管网输水问题, 关系到千家万户的切身利益。到目前为止, 国内还没有比较成熟的方法处理环状管网流量分配问题, 通常根据节点流量平衡方程手工预分配。对于大型给水网络, 用手工方法预分配, 不但计算复杂, 容易产生错误, 而且工作效率低。随着计算机的发展, 复杂的计算过程可以通过编程求解。本文首先详细分析了复杂管网水力计算的整个过程, 通过严密的数学推导, 导出了节点流量修正量的一般通式, 列出了程序流程图, 从而能够利用计算机编程实现复杂环状管网水力计算。2管网输送基本理论

管网计算必须满足两个基本原则:

(1) 流入节点的流量应等于流出节点的流量。通常取流出节点的流量为正, 流入节点的流量为负, 则任意节点处流量代数和为零, 即∑Q =0。

(2) 在任意环路中, 有一节点沿两个方向到另一个节点的能量损失相等。同样, 如果取逆时针方向流动的损失为正, 顺时针方向流动的损失为负, 则环路能量损失代数和为零, 即∑h f =0。3管网流量分配步骤3. 1初步流量分配

根据上述理论可知, 环状管网中水有多个流动方向, 在进行流量分配时应该先假定各管段的流量,

, (1) 在管网输送图上, 找出主要流向, 使水流输送到大用户地区;

(2) 分配流量应满足节点流量平衡, 即∑Q =0;

(3) 在管道设计时, 应该设计出相互平行的管道, 平行管道之间用支路管道相连;

(4) 在平行管道上, 流量分配应大致相同, 使得发生管路故障时, 能够及时的调整流量, 避免某一管道上超过最大流量的情况产生。

建立图1所示的复杂水力管网图:其中网格线的交点表示用户, 箭头表示由上一个用户向下一个用户转移的流量, 节点处的流量表示用户的用水量。

图1　复杂水力管网图

因此根据∑Q =0可以建立如下的代数方程(取流入节点的流量为负, 流出节点的流量为正) :q (18) +q (18-19) -q (17-18) -q (11-18) -q (25-18) =0式中　q (18-19) 表示由18结点向19结点转移的流量, 其余符号类似。

若有N 个节点, 则可建立N 个独立方程, 然后求解方程组时, 利用高斯-赛德尔迭代算法求解方程组(过程略) 。3. 2流量调整

,

2005年第9期节　　　能

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0, 但是有些环路∑h ≠0。此时应对各管道分配的流量进行调整, 否则违背了原则2。各管道经过流量修正后, 各节点的流量满足∑Q =0。

显然, 在流量修正的过程中, 选择合适的ΔQ , 会使计算量大大减少。在这里, 利用哈代克罗斯法求解环路方程, 此方程忽略了相邻环之间的相互影响, 计算简单。3. 3理论分析

流量调整过程中, 需要反复尝试。对于简单的管路, 需要多次迭代。复杂的管网系统, 如上海市地下输水管路, 即使用计算机求解, 也需要很长的时间, 不利于动态调整。现在工程上用于流量调整的

[3]

经验公式很多, 误差最大可达到15%, 同时不便于推广应用。本文试图导出节点流量修正量的一般关系式。

如图2所示, 流量Q 从节点A 注入环网, 从B 节点流出。设经过初始流量分配后其中一支路的流量为Q 1, 另一支路的流量为Q ′1, 则应满足如下条件:

∑Q A =0∑Q B =0

(1) (2

)

[1]

Q 1※Q 0=Q 1+ΔQ ;

Q ′Q 。这样满足1※Q ′0=Q ′1-Δ

∑Q A

=0,

∑Q B

=0。

(5)

忽略高阶项得

h +Δh ≈rQ n +rnQ n -1ΔQ

n

由于h 0=rQ n Q 1+ΔQ ) 0=r (

-1

=rQ 1n +rnQ n 1ΔQ

h ′0=r ′Q ′0=r ′(Q ′1+ΔQ ′)

n n -1=r ′Q ′nQ ′ΔQ 1-r ′1

n n

(6)

n -1

因为h 1=rQ 1　h ′1=rQ ′1　h 0-h ′0=0所以h 0-h ′0=(h -h ′1) +n (rQ 1

n -1

r ′Q ′1ΔQ )=0

n n

ΔQ +

(7)

h -h ′1=-n ΔQ (rQ 1

推导到多个环的情况可知

ΔQ =-∑h /n 将上式进一步简化

ΔQ =-∑h /n 工程上采用n =2, 则

n -1

+r ′Q ′1)

n -1

-1n -1

ΔQ =-(h -h ′) /n (rQ n +r ′Q ′8) 11) (

∑rQ n -1∑h /Q

(9) (10)

ΔQ =-∑h /(2∑h /Q ) (11) 利用式(10) 、(11) 求出ΔQ 调整到各管段中去后, 为第一次修正后的流量值, 直到Q 、h 为最终真实流量和水头损失。由于现场的管道错综复杂, 需要多次修正, 最后得出Q 、h 。在工程计算中, 当

∑h /h 在5%以下时, 可以停止计算[2]

图2　环路分析

, 即单环Δh

≤0. 5m , 多环Δh ≤1. 5m [1]即可满足要求。3. 4实际例子

图3为徐州市某小区自来水管网示意图(图中符号意义见图1) :

A —B 水头损失由下式计算

h =rQ (r 、n 为常数, r 取决于管径、长度、材

料, n =1. 85) 在管路中, Q ※Q +ΔQ 时, 水头损失h 也增加Δh 。

n

故　h +Δh =r (Q +ΔQ ) (3) 将上式用二项式定理展开:

h +Δh =r [Q +nQ ΔQ +n (n -1) Q

2n

(ΔQ ) /1×2+L +(ΔQ ) ](4) 在式(4) 中(ΔQ ) 与Q 之比很小, 数量级在

-2

10, 第3项及以后各项都可忽略不计[1]。以图2所示两根管构成的一个环时, 式中Q 0、Q ′Q 1、Q ′Q 0、Q ′0为真实流量; 1为假定流量; 0、Q 1、Q ′1的水头损失分别为h 0、h ′0、h 1、h ′1。

因为h 1≠h ′1, ∑h =|h 1-h ′1|≠0,

, Q Q 12n

n -1

n -2

n

图3　某小区自来水管网示意图

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　ENERGY CON SERV AT IO N 　　　　　　　　　　　　—18—(总第278期) 　　按照上述水力计算过程, 应用推导出的公式ΔQ =-∑h (2∑h /Q ) , 建立图4的程序流程图, 利

管长/m [***********][***********][***********]00

管径/mm [***********][***********][1**********]0

流量/L ·s -163. 611. 6-62. 4-11. 711. 73. 3-37. 7-18. 7389-11. 6-2212-12-3. 3

水力坡度

i 4. 326. 174. 176. 266. 160. 554. 173. 524. 230. 946. 170. 230. 231. 581. 580. 55

用计算机编程求解。

计算得到如表1的结果。

水头损失h /m 4. 324. 943. 346. 260. 160. 443. 343. 524. 230. 754. 970. 230. 231. 581. 260.

44

-1. 701. 81

∑h =0. 11

ΔQ ≈0

-5. 174. 98

∑h =-0. 19

ΔQ ≈0

-6. 866. 60

∑h =-0. 26

ΔQ ≈0. 3

-9. 60水头损失之和

∑h /m 9. 26

流量修正值ΔQ /L ·s -1ΔQ ≈0

表1　水力计算实例结果

环号1

管段1-22-51-44-5

2

4-55-84-77-8

3

2-33-62-55-6

4

5-68-96-95-8

误差∑h ∑h =-0. 34

(1) 利用推导出的节点流量修整量公式ΔQ =-∑h /(2∑h /Q ) , 两次迭代得到最终的结果, 这种方法具有收敛快的特点。

(2) 从表1可以看出, 各环路水头损失满足工程的要求(多环Δh ≤1. 5m ) , 并且节点流量除了第Ⅱ回路ΔQ ≈0. 3, 其余都满足ΔQ ≈0。所以很好地满足了节点流量平衡和水头损失平衡。从理论上得出了计算结果, 在一定程度上满足了过程设计的需要。

(3) 复杂环状管网水力计算过程相当复杂, 用计算机求解需要反复迭代, 最终得到近似解。4结论与展望

(1) 本文由流体力学的基本理论, 经过严密的数学推导, 得出了环状管网水力计算中流量修正的表达式ΔQ =-∑h /(2∑h /Q ) , 从而解决了复杂管网的流量分配问题, 能够利用计算机编程很好地解决现场问题。

(2) 联立节点流量连续性方程和管段水力损失平衡方程而建立的管网水力平衡计算模型, 能够很好地解决工程实际问题。从表1计算结果来看, 完

图4　水力计算整体流程图

成一个包含多个环的网络, 仅需要较短的时间, 大大提高了效率, 具有方法简便, 适宜计算机编程, 计算

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空气调节二次回风系统的节能问题

肖广信, 王国恒

(东北大学材料与冶金学院工程热物理研究所, 辽宁沈阳110004)

摘要:讨论了二次回风系统在夏季工况下与一次回风系统相比的节能效果, 以及在冬季工况如何更好降低能耗的问题, 着重分析了冬季工况下机器露点对能耗的影响, 并提出降低能耗的途径。关键词:空气调节; 二次回风; 节能; 机器露点

中图分类号:T U831. 3　文献标识码:A 　文章编号:1004-7948(2005) 09-0019-03

1引言

在空调设计中有很多采用全空气系统, 全空气系统按照回风的利用情况分为直流式一、二次回风系统和全循环式。考虑到人们对舒适性的要求, 工程中尤其是民用空调中大部分采用一、二次回风系统, 只有在生产工艺过程中有有害气体产生以及卫生标准不允许采用回风的场所, 才使用全循环系统, 即全回风系统。

就一次回风系统与二次回风系统来说, 在夏季工况下二次回风系统要比一次回风系统节约能耗, 这在空调界没有异议。但是对于在冬季工况下二次回风系统与一次回风系统相比, 是否节能以及节能的途径尚需讨论, 本文将分别就夏季工况和冬季工况下二次回风系统的节能进行一些简略的分析, 并且重点分析冬季工况下机器露点对空调系统能耗的影响及其节能的途径问题。

收敛速度快, 计算结果精度高的特点, 克服了传统计算方法水力损失与节点流量不平衡的缺陷, 是改进

目前大城市复杂环状管网水力计算的一种有效方法。

(3) 为了解决大城市地下自来水管道的水力计算, 以及处理突发情况(比如夏季缺水季节如何合理地调度, 使得受影响的居民尽可能的少) , 需要建立城市用水情况的数据库, 运用先进的自动控制技术、信息技术、CRT 技术, 实现集成一体化的控制系统。现在国外这方面已经比较成熟, 而我国才刚刚起步, 即使北京、上海等这些大城市, 自来水的供应和调度, 很大程度上仍依赖于人工调节, 自动化水平还很低。所以这方面还有很大的发展空间, 需要既懂计算机技术,

又要精通热工理论和自动控制的复合型

2夏季工况

夏季工况下二次回风系统的空调过程如图1所示。

W -室外新风状态点; 1-混合状态点(一次回风) ; Δt s -送风温差; L -机器露点(二次回风) ; N -室内空气状态点; O -送风状态点; ε-热湿比; 1′-一次回风系统空气混合状态点; L ′-一次回风系统的机器露点。

图1　夏季工况下二次回风系统空调h -d 图

虚线表示采用一次回风系统时的空气处理过人才来发展新技术。参考文献

[1]郭楚文. 流体力学[M ]. 江苏:中国矿业大学出版社, 2002.

[2]杨狱思, 杨利伟, 等. 建筑热水全循环管网热损失计算方

法的探讨[J ]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版) , 2003,(4) :24-28. [3]王彤, 吴志荣, 等. 建筑热水管网计算方法的探讨[J ]. 中

国给水排水, 2004,(5) :65-67. [4]严照世, 赵宏实. 给水管网理论与计算[M ]. 北京:中国建

筑工业出版社, 1986. [5]贺平, 孙刚. 供热工程[M ]. 北京:中国建筑工业出版社,

1998. 作者简介:李德波(1983-) , 男, 湖北宜昌人, 硕士研究生, 研

究方向:城市给水管网水力输送, 高压水射流。(收稿日期:2005-06-23; 修回日期:2005-08-04)

节　　　能2005年第9期

　　　　　　　　　　　　　　　　　　ENERGY CON SERV AT IO N 　　　　　　　　　　　　—2—(总第278期)

For low ering the energy cost of the several -stage fluidized bed dry -er , the cold experimen t of the rules betw een the pressure drop of empty

dryer and the rate of holls in air distributors , the pressure drop of empty dryer and the speed of w ind , the fluidization scope on feed -in state and the pressure drop of each layer and total layer and the speed of wind was conducted . The proper rate of holls in air distributors , the number of lay -ers and the fluidization scope were chose for fluidized bed dryer of corns .

Key words :empty d ryer ; fluidized bed ; cold experiment ; press u re drop

ZHO U Hong -bin , ZHANG Guang -sheng , SHEN Xiao -jun , et al

Energy Conservation (Monthly )

Sponsor :Liaoning P rovincial Institute of Science and

Technology Information

Publisher :《Energ y Co nservation 》M agazine Publishing

House

Chief Editor :ZHANG Wei -hua Address :N o . 274Qingnian Boulevard Shenyang City

Liaoning P rovince China

Post C ode :110016

22

The design and optimal operation of

ice -storage system in residential quarter

YU Lian -tao , WU Xi -ping , ZHU L in -xia

ABSTRACTS

September 2005No . 9T otal Iss ue No . 278

Taking a project of a res idential quarter for example , introduces the

design of ice storage air conditioning system . Based on this analizes the running models and its economical benefit . It can be a reference to the ice storage system design in residential quarter .

Key words :residential quarter ; ice -storage design ; air -condition -ing system ; optimal storage strategy ; economy analyse

25

The sulfur realease is affected by many factors because of the differ -ent sul fur forms in coal and different practical operation conditions . In

order to investigate the s ulfur releas ing influences of the different factors in detail , the paper designs the orthogonal experiment by combining the p ractical combustion conditions that the fixed s ulfur equipment is re -formed in order to res earch the sulfur release in the different combustion conditions . T he results show that the best important factor w hich affects the released sulfur is the retention time , the second is the inside fu rnace ' s temperature and the least is the flux of air fl ow . And it also researches the influence of different retention time 、inside furnace ' s temperature and the flux of air flow on the s ulfur release .

sulfur realease ; influence factors ; orthogonal experi -

Key words :ment

The study on influence factors of the characteristics

of sulfur releasing during the coal combustion

HAO Yu , Q I Q ing -jie , ZHOU Xin -hua , et al

This article introduces the method of sealing us ed revolving spindle

and advances a new and practical fluid seals technology . It w as des cribed the good performance of new and practical fluid seals technology . In -stances of used prove that the new and practical fluid seals tech nology is practicable and reliable .

Key words :variable speed fluid couplings ; specific p roperty line ; centrifugal blade seal ring ; economize pow er ; los e power ; m ovement effi -ciency

Variable speed fluid co uplings calculate of movem ent

efficiency and analyse of economize on electricity

SHAO Wan -zhen

28

Reactive power compensation and

energy -saving in industrial applications

L O U Ying , LI Xiao -ming , PI Wei -c ai

9

Numerical simulation and analysis

of flow field of 90°elbow pipe

SUN Feng -zhong , WANG Kai , WANG Wei

The distribution regularities of flow field of elbow pipe is discussed on the basis of m athematical model . In addition , the temperature field of a 90°elbow pipe is calculated by means of FLUENT 5. 5. Finally the ef -fect of the position and pipe diameter of the small pipe is analyzed . It is concluded that :the mean temperature at outlet increases along w ith the augmentation of Re at the small pipe inlet , but its rising trend tu rns ou t to be slow . The position of small pipe also has effect on the mixture of flow field and heat trans fer . The recommended αfor the small pipe is 45～60°. Otherwise , the heat transfer turns to be w ors e and there is obvi -ous stratification at pipe outl et .

numerical simulation , FLUENT , 90°elbow pipe , flow Key words :field

mixture

It ' s an importan t method that imp roving pow er factor (PF ) w ill en -hance the efficiency of pow er -using and the economization on energy .

Based on the theoretical analys is and a practical application , the effects and significances of reactive pow er compensation in industrial situations are presented in this paper ; according to the problems already exist in these situations , a new improved method is also propos ed .

Key words :pow er factor ; reactive pow er compensation ; economic efficiency ; energy -saving

32

13

Study on the mathematical method of

hydraulic calculation for pipe systems

LI De -bo , JIAN Cong -guang

There is large quantity of energy in seawater w hos e temperatu re

change is relativel y small in different seas ons . In this paper , the energy saving principle of refrigeration equipment with seaw ater as heat s ink and heat pumps w ith seawater as heat source is anal yzed , and materials w hich are suitable for seaw ater heat exchanger in Tianjin are selected . Res ults and information given in this paper can be an important help to design and applications of high efficiency refrigeraiton equipment and heat pumps .

Analysis on energy saving and materials of seawater

refrigeration equipment and heat pump

Q I AO Mu , CHEN Dong , XU Shu -xue

On the basis of the fluid mechanics and the num erical method , the

author analyze some factors , which are associated with the transforma -tion of the pipe s ystems , a new mathematical method is developed . The author use VB to solve the complex pipe s ystems of XuZhou . The math -ematical model w hich combines the continues of mass equation with the loss of pipe system equtation has good results . It is convenient for the use of computers to make programes in order to solve some compl ex pipe systems of big city , w ith regard to the traditional method .

Key wo rds :numerical calculation ; complex pipe s ystems ; hydraulic calculation

16

The pro blem of energy conservation for air

conditioning second returns air system

XIAO Guang -xin , WANG Guo -heng

In this paper , several suggestions w ere given on the bas ic data re -search , on the system choice , on the w ell des ign in ground sou rce heat

pump air -condition s ystem application , and the feasible application proj ect w as mentioned .

Key words :ground source heat pum p ; the appl ication ; the system choice ; the w ell des ign

Key words :seaw ater ; heat pump ; corrosion ; material 35

Several suggestions of ground source heat pump air -condition system application HE Yong -mei , SUN Dong -xi , HUANG Jing , et al

38

It is discussed that the purpos e of energy conservation of air condi -tioning second returns air system compared w ith primary return air sys -tem in s ummer conditions , and how to decrease energy consumption in

w inter conditions is concl uded . The apparatus dew point effect on energy consumption in w inter conditions is anal yzed . The approach how to de -crease energy consumption is advanced eventually .

Key words :air conditioning ; second return air system ; energy sav -ing ; apparatus dew point

19

This text has introduced the optimization and improvemen t of the

living heating w ater of concentrated suppl y in LinYuan Refinery ' s living quarters . Expound the comparison of measure content , discussion about the economic question of technology , the estim ating of investment and e -conomic benefits , ect . , have pointed out optimizing and improved imple -menting scheme .

Design of optimization and impro vement

for the living heating water of concentrated

supply of LinYuan district

FAN Zhi -ming

Study on energy conservation on fluidization drying of corns

Key words :heating w ater ; suppling ; energy saving

41