《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》 教案 8-19燃?xì)夤芫W(wǎng)水力仿真虛擬實(shí)驗(yàn)

燃?xì)夤芫W(wǎng)水力仿真虛擬實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑偻ㄟ^該實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)水力計(jì)算和水力工況分析有更深入地了解，掌握管網(wǎng)調(diào)度和規(guī)劃設(shè)計(jì)基本方法，激發(fā)投身燃?xì)廨斉漕I(lǐng)域科學(xué)研究，探索更加安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的燃?xì)廨斉淅碚撆c技術(shù)興趣和使命感。②通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，掌握城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)構(gòu)成以及各部分功能，掌握城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)基本知識(shí)，并了解城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容、過程及原則，同時(shí)，對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)運(yùn)行特性、泄漏計(jì)算、壓力流量控制等有更深入地理解和思考。③通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，鍛煉對(duì)知識(shí)學(xué)習(xí)、消化、應(yīng)用的自學(xué)能力，自主構(gòu)建城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)知識(shí)體系，對(duì)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度、泄漏流量計(jì)算等復(fù)雜問題有自主的思考和創(chuàng)新。2.實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)的原理及知識(shí)點(diǎn)涵蓋了《流體力學(xué)》《流體輸配管網(wǎng)》《燃?xì)廨斉渑c應(yīng)用》等課程及《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50028—2006）（2020年版）、《城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔こ淌┕ぜ膀?yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51455—2023）等國家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。氣體在管道內(nèi)流動(dòng)，隨著壓力下降，密度逐漸變小，流速不斷增大。同時(shí)氣體在管道流動(dòng)過程中還要?dú)怏w與周圍介質(zhì)進(jìn)行熱交換，溫度會(huì)逐步降低，在管道的末段趨近于甚至低于周圍介質(zhì)的溫度。特別是在不穩(wěn)定流動(dòng)的情況（輸氣管大多數(shù)處于不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)）下，更導(dǎo)致壓力、流量和溫度的變化。因此，描述氣體管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的主要參數(shù)有：壓力P、密度r、流速v和溫度T。其進(jìn)行模擬計(jì)算的理論基礎(chǔ)主要包括有：1）輸氣管段流動(dòng)過程的基本方程連續(xù)性方程： A?ρ?t+??x式中A——截面積，m2；ρ——密度，kg/m3；t——時(shí)間，s；x——位置，m；w——流速，m/s；運(yùn)動(dòng)方程： ?(ρw)?t+式中ρ——密度，kg/m3；t——時(shí)間，s；x——位置，m；w——流速，m/s；g——重力加速度，m/s2；s——位置，m；ds/dx——位置梯度；λ——摩擦系數(shù)；d——管道直徑，m。能量方程： -??t(ρwA)=式中ρ——密度，kg/m3；t——時(shí)間，s；w——流速，m/s；A——截面積，m2；u——內(nèi)能，J/kg；g——重力加速度，m/s2；s——位置，m；h——焓，J/kg；狀態(tài)方程： ρ=ρ(p,式中ρ——密度，kg/m3；p——壓力，Pa；T——溫度，K。內(nèi)能方程： u=u(p,式中u——內(nèi)能，J/kg；p——壓力，Pa；T——溫度，K。焓方程： h=h(p,式中h——焓，J/kg；p——壓力，Pa；T——溫度，K；以上6個(gè)方程剛好包括p、T、ρ、w、u、h這6個(gè)未知函數(shù)，因此從求微分方程通解的角度看，這個(gè)方程組是封閉的。該方程組通常稱為氣體管流的基本微分方程組。2）氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程： P=ρRT通用氣體狀態(tài)方程： P=ZρRT范德瓦爾斯?fàn)顟B(tài)方程： P=RTV-b+式中P——壓力，Pa；ρ——密度，kg/m3；R——?dú)怏w常數(shù)，J/(kg·K)；T——溫度，K；Z——壓縮因子；V——體積，m3；a——范德瓦爾斯常數(shù)，Pa·m6/mol2；b——范德瓦爾斯常數(shù)，m3/mol。以上理想氣體狀態(tài)方程的精度肯定是不夠的，還需要使用Sarem狀態(tài)方程、SRK方程、Peng方程和BWRS方程等較為復(fù)雜的方程，以及NX-19和AGA-8等靠對(duì)大量輸氣管道的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究產(chǎn)生的純經(jīng)驗(yàn)公式。3）阻力系數(shù)公式水力摩阻系數(shù)計(jì)算推薦采用Colebrook公式： 1λ=-2.0lg?(式中k——管內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度，m；d——管內(nèi)徑，m；Re——雷諾數(shù)。ColebrookWhite公式考慮了不同管子光滑或粗糙的內(nèi)壁情況，在較寬的流動(dòng)狀態(tài)范圍下有較好的模擬精度，適用于紊流3個(gè)區(qū)。3.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)采用流體管網(wǎng)模擬軟件PipelineStudio（Tgnet）對(duì)燃?xì)廨斉涔艿肋M(jìn)行模擬。PipelineStudio（Tgnet）是經(jīng)過使用證明的、歷史悠久的輸氣體管道離線模擬軟件，能夠?qū)艿赖恼９r和事故工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，測試和評(píng)價(jià)管道的輸送、改建、擴(kuò)建方案，最終獲得優(yōu)化的系統(tǒng)性能和最佳的實(shí)際方案。PipelineStudio具有全功能的圖形界面、穩(wěn)定的數(shù)字求解技術(shù)、完備的設(shè)備模擬、靈活實(shí)用的理想化的控制方式和多約束條件設(shè)定、溫度跟蹤、氣體屬性跟蹤、詳盡的默認(rèn)值集合、既能以批量處理方式又能以交互（互動(dòng)）方式運(yùn)作、靈活多樣的開放的輸入輸出方式、易學(xué)易用等特點(diǎn)。軟件主要應(yīng)用于以下方面：①設(shè)計(jì)管道，管徑、輸氣量研究；②確定管線尺寸，壓縮機(jī)規(guī)格；③評(píng)價(jià)因?yàn)椴僮鞲淖儗?dǎo)致的管道工況；④模擬供氣中斷、壓縮機(jī)故障及意外事故，評(píng)價(jià)事故影響及采取的恢復(fù)行動(dòng)；⑤進(jìn)行供需平衡、調(diào)峰、管存量分析，進(jìn)行操作優(yōu)化；⑥進(jìn)行管道戰(zhàn)略性規(guī)劃和分析，確定管道5年、10年、15年的長遠(yuǎn)規(guī)劃。4.實(shí)驗(yàn)步驟與方法1）實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生提前學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指示書，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提前下載并安裝好實(shí)驗(yàn)軟件PipelineStudio，熟悉操作界面和步驟，復(fù)習(xí)本實(shí)驗(yàn)所涉及的專業(yè)理論知識(shí)，并應(yīng)提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)教材燃?xì)夤芫W(wǎng)水力仿真的相關(guān)內(nèi)容，掌握模擬計(jì)算方法和原理。2）建立模型①建立管網(wǎng)模型文件：啟動(dòng)軟件，單擊標(biāo)準(zhǔn)工具條上“NEW”（新建）按鈕，將出現(xiàn)提示窗口，選擇“Pipelinestudio（Tgnet）”并單擊“確定”按鈕，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)空白的管網(wǎng)視窗，此后即可開始建立一個(gè)新的管網(wǎng)模型。②設(shè)置使用的單位制（圖1）和單位：點(diǎn)擊Simulation菜單或標(biāo)準(zhǔn)工具條上的Units按鈕，進(jìn)入U(xiǎn)nit對(duì)話框。結(jié)合中國的情況，比較簡捷的做法是點(diǎn)擊Unit對(duì)話框中的Load按鈕直接裝入并使用米制（Metric）。米制中使用的單位大部分符合中國的習(xí)慣，可以直接使用。選擇要使用的單位后，特別注意要在Unit對(duì)話框的ShowPressuresas列表中選擇壓力單位是使用表壓還是絕壓，還要規(guī)定好在壓力單位后面區(qū)分表壓和絕壓的后綴，通常用A表示絕壓（MPaA)、用G表示表壓（MPaG)。圖1設(shè)置單位制③設(shè)置模擬選項(xiàng)：點(diǎn)擊Simulation菜單的Option按鈕，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)含有11個(gè)標(biāo)簽的組合對(duì)話框。這一看起來很復(fù)雜的對(duì)話框平時(shí)需要注意的只是General和Fluid標(biāo)簽，作動(dòng)態(tài)模擬時(shí)需要用到Report和Control標(biāo)簽，其余部分都可以不動(dòng)，使用程序的默認(rèn)值即可，如圖2所示。圖2設(shè)置模擬選項(xiàng)④設(shè)置氣體組分：點(diǎn)擊Insert菜單的CompositionalFluid按鈕，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置模擬管網(wǎng)的氣體組分，如圖3所示。圖3設(shè)置氣體組分⑤建立管網(wǎng)模型并設(shè)置參數(shù)：本實(shí)驗(yàn)的主要元件有氣源（supply）、分輸點(diǎn)（delivery）和管道（pipe）。點(diǎn)擊3個(gè)元件的按鈕，在視窗中建立模型。建立完成后的管網(wǎng)模型如圖4所示圖4建立管網(wǎng)模型并設(shè)置參數(shù)雙擊管網(wǎng)視窗中的管網(wǎng)元件，會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，在General選項(xiàng)中包含了元件的各項(xiàng)參數(shù)。單擊Rename按鈕可設(shè)置管道元件的名稱，其他管網(wǎng)元件的名稱也均可進(jìn)行類似設(shè)置，需要注意的是管網(wǎng)元件名稱的唯一性。供氣點(diǎn)的參數(shù)（圖5）包括氣體組分（Fluid）、氣體溫度（FluidTemperature)、最大流量（MaximumFlow）、最大壓力（MaximumPressure）、最小壓力（MinimumPressure）、是否允許反向流動(dòng)（CheckValve）和初始條件（Mode）。在實(shí)際模擬時(shí)需要根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置。圖5供氣點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置輸氣點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置（圖6）與供氣點(diǎn)相似。圖6輸氣點(diǎn)參數(shù)設(shè)置管道的參數(shù)設(shè)置（圖7）包括管道內(nèi)徑、長度、壁厚、粗糙度、效率系數(shù)、步長等，另外還需要在HeatTransferData標(biāo)簽下輸入總傳熱系數(shù)。圖7管道參數(shù)設(shè)置另外，在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)需要設(shè)置泄漏點(diǎn)計(jì)算事故工況，泄漏點(diǎn)（圖8）可以在繪圖工具點(diǎn)擊leak圖標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，其相應(yīng)的參數(shù)包括：泄漏孔徑（Diameter）、外界壓力（AmbientPressure）和泄漏系數(shù)（Coefficient）。圖8設(shè)置泄漏點(diǎn)3）模擬計(jì)算（1）穩(wěn)態(tài)模擬點(diǎn)擊Simulation菜單或模擬工具條上的Steady-State按鈕進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。這時(shí)軟件會(huì)先判斷是否進(jìn)行過有效性檢查，如果已經(jīng)檢查并獲得通過，就跳過這一步直接進(jìn)行模擬計(jì)算；如果沒有做過有效性檢查，就自動(dòng)進(jìn)行檢查，如果沒有錯(cuò)誤，就接著進(jìn)行計(jì)算，如果有錯(cuò)誤，將產(chǎn)生出錯(cuò)信息，不往下進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算過程中會(huì)顯示一個(gè)表示穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂過程的曲線，如果所有的曲線（迭代誤差）都降到了收斂容限之下，表明迭代收斂，結(jié)果可信。在管網(wǎng)有效性結(jié)果窗/穩(wěn)態(tài)窗/報(bào)警事件窗中可以看到有無出錯(cuò)信息。如果不收斂，原因大多數(shù)是起點(diǎn)壓力太低，管內(nèi)流量太大或管徑太小等。（2）動(dòng)態(tài)模擬運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬的必要條件是管網(wǎng)模型要有一個(gè)初始狀態(tài)。最常用的初始狀態(tài)是穩(wěn)態(tài)計(jì)算的結(jié)果，以前動(dòng)態(tài)模擬的結(jié)果也可以作為下一次動(dòng)態(tài)模擬的初始狀態(tài)。任何模型初次運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬之前都需要先作穩(wěn)態(tài)模擬。①建立動(dòng)態(tài)腳本。所謂動(dòng)態(tài)腳本或動(dòng)態(tài)情景(TransientScenario)實(shí)際上是一張表，表中含有在動(dòng)態(tài)模擬的過程中有哪些管網(wǎng)元件的哪些數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生改變（閥門的開度、用戶的耗氣量、氣源的壓力或氣量等），什么時(shí)間改變，變成多少等等。軟件將把這張表格當(dāng)預(yù)定的腳本或情景，分析計(jì)算管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)工況。點(diǎn)擊Simulation菜單的TransientScenario按鈕，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)只含有標(biāo)題行的空白腳本表。選中標(biāo)題行，點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選擇插入一行，在彈出的對(duì)話框中先選擇元件種類，再選擇元件名稱，最后選擇要改變它的哪一種數(shù)據(jù)（只允許改變被指定成約束條件的數(shù)據(jù)）。②指定報(bào)告頻度及內(nèi)容。雙擊需要趨勢報(bào)告的管網(wǎng)元件，在對(duì)話框中點(diǎn)擊Trend標(biāo)簽，在出現(xiàn)的趨勢列表中選擇需要研究的趨勢，如果所有同種類的元件都需要同樣的趨勢報(bào)告，在點(diǎn)擊OK之前先點(diǎn)擊ApplytoAll。重復(fù)以上過程，指定所有需要的動(dòng)態(tài)趨勢。③運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬。用穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)果作初態(tài)時(shí)，點(diǎn)擊Simulation菜單或模擬工具條的Transient按鈕就可以開始運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬。在屏幕上會(huì)出現(xiàn)一信息框，其中含有模擬計(jì)算的起始時(shí)間，當(dāng)前計(jì)算的時(shí)間和終止時(shí)間，當(dāng)當(dāng)前時(shí)間等于終止時(shí)間時(shí)，動(dòng)態(tài)模擬即告結(jié)束。用上一次動(dòng)態(tài)模擬的結(jié)果作初態(tài)時(shí)，需要點(diǎn)擊Simulation菜單或模擬工具條的TransientRestart按鈕。4）查看模擬結(jié)果（1）穩(wěn)態(tài)計(jì)算模擬報(bào)告穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)束后查看計(jì)算結(jié)果有如下方法：①數(shù)據(jù)塊。在管網(wǎng)視窗中選擇需要添加數(shù)據(jù)塊的管網(wǎng)元件，然后在Insert菜單中或圖形編輯工具條中點(diǎn)擊DataBlock按鈕，出現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)塊對(duì)話框，在其中逐個(gè)選擇希望顯示的數(shù)據(jù)，選完后，點(diǎn)擊OK就可以在管網(wǎng)視窗中看見一個(gè)數(shù)據(jù)塊。有了數(shù)據(jù)塊后，計(jì)算一結(jié)束就可看見計(jì)算結(jié)果。數(shù)據(jù)塊中顯示的應(yīng)當(dāng)是一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如果在管網(wǎng)視窗中到處都插滿數(shù)據(jù)塊反而會(huì)掩蓋要突出的重點(diǎn)。②穩(wěn)態(tài)計(jì)算報(bào)告。點(diǎn)擊View菜單下Output子菜單中或模擬命令工具條上Steady-StateReport按鈕可以查看整個(gè)穩(wěn)態(tài)計(jì)算報(bào)告，該報(bào)告除了含有全部的計(jì)算結(jié)果外還含有管網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、迭代過程的記錄以及質(zhì)量平衡誤差報(bào)告等。（2）動(dòng)態(tài)模擬報(bào)告和趨勢報(bào)告動(dòng)態(tài)模擬結(jié)束后數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)是模擬結(jié)束時(shí)的數(shù)據(jù)，完整的計(jì)算結(jié)果分別保存在動(dòng)態(tài)模擬報(bào)告和趨勢報(bào)告兩份文件中。View菜單下Output子菜單的TransientReport按鈕查看動(dòng)態(tài)模擬報(bào)告。該報(bào)告按Simulation|Report對(duì)話框中指定的頻度詳細(xì)記錄了管網(wǎng)在各個(gè)時(shí)間的全部計(jì)算結(jié)果。此文件中還記錄了約束條件切換的過程、質(zhì)量平衡誤差、報(bào)警等信息。用View菜單下Output子菜單的TrendReport按鈕查看動(dòng)態(tài)趨勢報(bào)告。該報(bào)告按Simulation|Control對(duì)話框中指定的頻度詳細(xì)記錄了所要求的趨勢數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的情況。5）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍承^(qū)燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)在軟件PipelineStudio中的模型如圖9所示。圖9實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D現(xiàn)已知?dú)庠袋c(diǎn)壓力為0.35MPa,各管段管徑、長度及流量見表1，利用軟件計(jì)算氣源點(diǎn)流量和各節(jié)點(diǎn)壓力，管道壓力降等參數(shù)。表1氣源管徑、長度、流量表編號(hào)長度/m內(nèi)徑/mm流量/（Nm3·h-1）1-239.8110.81433.352-3166.5110.81426.723-4626.6110.81071.064-5189.3110.8851.725-6130.4110.8412.866-7108.2110.8406.827-8292.5110.8101.418-9443.3110.8-215.709-1051.7110.8-222.3310-11