水动力计算的通用模型
水动力模型构建指南
水动力模型构建指南构建水动力模型是一种模拟液体（如水）在特定环境下的流动、混合、传质和能量转换过程的方法。
以下是一个基础的水动力模型构建指南：1.明确研究目标与范围：确定你要解决的具体水力学问题，例如河流水流、湖泊或水库的水质分布、海岸线侵蚀、水利设施（如大坝、泵站、泄洪道）的流体动力效应等。
2.数据收集：收集相关流域的地形、地质、气象、水文资料，包括但不限于地形图、降雨量、径流量、地下水位、水质参数等。
3.选择合适的模型类型：根据研究需求选择适合的模型类别，例如一维、二维或三维模型；确定是否需要考虑紊流、自由表面波动等因素。
常见的水动力模型工具有HEC-RAS（一维/二维）、MIKE系列软件、FVCOM、OpenFOAM等。
4.建立几何模型：使用GIS或其他建模软件创建流域的数字地形模型（DTM），对于复杂区域可能还需要构建详细的几何结构模型，如建筑物、桥梁、堤防等。
5.设置边界条件与初始条件：设定模型的入口、出口以及侧边界条件，如流量、水位、水质浓度等；设定模型运行开始时的状态（即初始条件）。
6.定义物理过程：基于流体动力学原理，定义水流运动方程，包括连续性方程、动量方程（牛顿第二定律在流体中的应用）、能量方程等，并根据需要考虑其他物理过程，如湍流模型、蒸发蒸腾、热交换等。
7.网格划分：对模型区域进行合理的网格划分，确保关键区域有足够精度的网格以捕捉重要的水动力现象。
8.模型校核与验证：利用历史观测数据对模型进行校核与验证，调整模型参数直至模拟结果与实际观测结果吻合度较高。
9.模拟计算与结果分析：运行模型并获取模拟结果，通过可视化工具展示和分析水流场、压力场、水质分布等情况，得出所需结论。
10.不确定性分析：考虑输入参数和模型结构的不确定性，进行敏感性分析，评估模型预测的可靠性和不确定性范围。
以上步骤仅为基本框架，实际操作中需结合具体项目特点和专业背景知识灵活运用。
水动力模型体系
水动力模型体系
水动力模型体系是指用于描述和预测水流动行为的一套理论和模型。
这个体系包括了以下几个方面的内容：
1. 基本方程：水动力模型体系基于基本的连续性方程、动量方程和能量方程，其中连续性方程描述了质量守恒，动量方程描述了动量守恒，能量方程描述了能量守恒。
这些方程是描述水体运动和变化的基础。
2. 边界条件：水动力模型体系还包括边界条件，这些条件描述了水体与周围环境的相互作用。
边界条件可以是水体表面的波浪、水体底部的摩擦力、水体与河岸或其他障碍物的相互作用等。
3. 参数和初值条件：水动力模型体系中需要确定一些参数和初值条件，例如水体的密度、水体的黏度、离散化网格的大小等。
这些参数和初值条件的选择对于模型的准确性和可靠性有重要影响。
4. 数值模拟方法：水动力模型体系基于数值方法，通过将水动力方程离散化为差分或有限元等形式，使用计算机进行数值求解。
数值模拟方法可以模拟复杂的水体流动过程，例如湍流、相对运动、分离流等。
水动力模型体系在水工、海洋工程、河流流域管理等领域有广泛应用。
它可以用于预测水流速度、水位、流量等参数，帮助工程师设计有效的水利工程和河流管理措施。
此外，水动力模
型体系还可以用于模拟水体污染传输、河流泥沙运动等问题，为环境保护和资源管理提供支持。
水动力学模型
水动力学模型水动力学模型是一种用于研究水流动行为和水体运动的数学模型。
它是基于物理原理和数学方程的理论工具，可用于预测和模拟水体在不同条件下的流动情况。
水动力学模型在水利工程、河流治理、海洋科学等领域具有广泛的应用。
水动力学模型的基本原理是根据质量守恒定律和动量守恒定律建立的数学方程组。
质量守恒定律指出，在封闭系统中，质量是不会增减的，因此水体的流入量必须等于流出量。
动量守恒定律则描述了水体在不同条件下的运动规律，包括水流的速度、流向和流量等。
通过求解这些方程，可以得到水流的各种参数和特性。
水动力学模型可以分为物理模型和数学模型两种。
物理模型是通过建立实验装置，模拟真实的水流情况来研究水动力学问题。
这种方法需要大量的实验数据和设备，费用较高。
而数学模型则是通过建立数学方程组，并借助计算机进行求解，来模拟水流的运动和变化。
这种方法不需要实际的实验装置，成本相对较低。
水动力学模型的应用十分广泛。
在水利工程中，它可以用于预测河流、湖泊和水库的水位变化、洪水演进和水库蓄水量等问题。
在海洋科学中，水动力学模型可以用来研究海洋潮汐、海浪、海流等问题，对于海洋环境的保护和利用具有重要意义。
此外，水动力学模型还可以应用于河道治理、水污染控制和海岸工程等方面。
水动力学模型的研究和应用仍然面临一些挑战。
首先，由于水流运动的复杂性和非线性特征，建立准确的数学模型和求解方法是一项困难的任务。
另外，水动力学模型的应用需要大量的实测数据和观测结果，这对于一些偏远地区或缺乏监测设备的地方来说可能存在困难。
总之，水动力学模型是一种重要的研究工具，对于理解和预测水流动行为具有重要意义。
随着计算机技术和观测手段的不断进步，水动力学模型的研究和应用将会得到进一步发展，为水利工程、环境保护和海洋科学等领域的发展做出更大的贡献。
二维水动力方程 有限元法
二维水动力方程有限元法
二维水动力方程是描述水体运动的偏微分方程，通常用于模拟水波、水流等物理现象。
有限元法是一种数值计算方法，用于求解偏微分方程的近似解。
对于二维水动力方程，有限元法的基本步骤如下：
1.建立数学模型：首先需要建立描述水体运动的偏微分方程，
如对流方程、波动方程等。
这些方程通常包含对流项、扩散项和源项等。
2.划分网格：将求解区域划分为一系列小的单元，每个单元称
为一个有限元。
这些单元可以是三角形、四边形或其他形状。
3.构造有限元空间：在每个有限元上选择一组基函数，这些基
函数可以用于近似表示方程的解。
常见的基函数包括多项式、三角函数等。
4.离散化方程：将偏微分方程中的导数项用有限元空间的基函
数表示，从而将连续的偏微分方程离散化为一系列线性方程组。
5.求解线性方程组：使用数值方法（如Gauss-Seidel迭代法、共
轭梯度法等）求解离散化的线性方程组，得到每个有限元的解的近似值。
6.后处理：根据需要，对计算结果进行可视化或其他后处理操
作。
下面是一个简单的二维水动力方程有限元法的Python代码示例：
在实际应用中，二维水动力方程有限元法的计算效率和精度取决于许多因素，如网格划分、基函数选择、数值方法等。
通过合理的参数选择和算法优化，有限元法可以用于模拟复杂的水体运动现象，为工程实践和科学研究提供有力的支持。
河道水动力模型
河道水动力模型水动力模型是一种模拟水流运动的工具，是通过模拟水的流动进行数量分析的一种模型。
水动力模型主要应用于河流、水库、湖泊及海洋等水体环境中，是水利工程、环境管理、灾害评估及水文预报等领域中的重要手段。
本文将就河道水动力模型进行详细阐述。
河道水动力模型主要分为1D、2D和3D三种类型。
1D模型是一种河道模型，仅模拟河道中流速和水位的一维变化，即只考虑河道中沿流向的变化，并不考虑沿横向和垂向的变化。
1D模型简单易懂，计算速度快，适用于狭长的河道。
3D模型是一种三维模型，模拟了河道中流速、水位和水深的三维变化，可以模拟两条河道之间的交叉流动，适用于较为复杂的河道系统。
河道水动力模型中的参数包括了水力要素、河道形态要素和边界条件等三个方面，具体内容如下：（1）水力要素：包括流量、水位和流速等要素。
流量是指在河道上某一位置跨过截面的单位时间内水的体积，单位为m3/s。
水位是指水面高度与参考面之间的距离，单位为m。
（2）河道形态要素：包括河道宽度、水深和横断面形状等要素。
河道宽度是指河道在水平方向上的跨度，单位为m，宽度越大，流量增加，水动力特性越复杂。
水深是指从水面到河床的垂直距离，单位为m，水深越深，流速越慢。
横断面形状指的是从河床到水面的横截面形状，通常采用河道弧度半径和倾角两个参数来描述。
（3）边界条件：包括入流量和出流量等边界条件。
入流量是指进入模型计算区域的流量，通常需要根据实际调查数据给定。
出流量是指从模型计算区域流出的流量，通常需要通过模型计算结果进行预测。
河道水动力模型主要应用于以下方面：（1）水库调节、水文预报和洪涝预警；（2）水生态环境保护以及水资源管理；（3）河道港口和水道工程的优化设计；（4）水电站、泵站以及风力发电场的优化设计。
四、总结河道水动力模型是一种有效的工具，可以帮助我们更好地了解河道中水的流动规律，分析水文过程和洪涝预测，还可以优化水文环境设计以及工程设计，对相关领域发展起到了积极的作用。
水动力数值模型
水动力数值模型
水动力数值模型是描述水流受力与运动相互关系的数学模型，它依据流体力学的基本方程建立数学模型，对流动的水体进行数值模拟。
水动力数值模型通常是微分方法的定解问题，并采用数值方法求解。
根据不同的应用需求，可以选择不同的模型，如零维模型、一维模型、二维模型和三维模型等。
这些模型适用于不同的场景和问题，如模拟小而浅的河流、湖泊和河口等。
此外，水动力数值模型还涉及到湍流模型、混合模型、曲线坐标系下的方程等方面。
湍流模型主要描述水流中非规则、随机性的运动；混合模型则关注水体中的物质混合和传输过程；曲线坐标系下的方程适用于复杂形状的水域，如海岸线、湖泊等。
在水动力数值模型的建立过程中，还需要注意数据的获取和处理。
由于水动力现象的复杂性和不确定性，需要大量的数据来支持模型的建立和验证。
同时，数据处理也是水动力数值模型中非常重要的一环，它涉及到数据的采集、处理、分析和可视化等方面。
总之，水动力数值模型是研究水流运动的重要工具之一，它可以帮助我们更好地理解水流运动规律，预测水流变化趋势，为水资源管理、环境保护和工程建设等领域提供科学依据和技术支持。
水动力计算的通用模型
4 华北电力技术 NO R TH CH INA EL ECTR IC POW ER N o. 12 2004
2 程序总体控制策略
由于本文把水动力计算中所有的部件都抽象
为具有统一结构的“抽象管”, 所以可以非常方便
地利用“面向对象的语言”, 如 C + + , JAVA 等进
水动力计算的任务包括各个回路中各个部件
循环流速、循环裕量及锅炉的循环倍率的计算以
及循环停滞、循环倒流的校验等几部分内容, 主要
以下降管、底部联箱、炉水循环泵、上升管屏、汽水
引出管及汽包汽水分离器等部件组合而成的管路
的压力流量平衡的计算为核心。 这些部件的计算
是不同的, 但共同的特点是均以其出入口差压的
加速阻力系数, Φ为局部阻力系数, 其余符号与式
(1) 中相同。 式 (3) 与式 (4) 在计算时要展开, 参见
文献[ 2 ]、[ 3 ]。
任意一根上升管子都可以通过图 4 表示的算
法进行计算。其中, 是否存在欠焓可以根据入口的
焓值与当地的饱和焓比较得出。 判断是否存在饱
和点可以通过比较其出口焓值与出口压力下的饱
行设计与调度, 方法如下:
(1) 根据锅炉各个部件具体的情况构建相应
模型的对象, 并输入热量边界条件。
(2) 所有对象都退化成“抽象管”, 并根据其
实际连接情况组成相应的串联管, 最后每个下降
管回路都构成一个独立的串联管, 该串联管的压
值。
11114 其它部件
循环泵、汽水分离器虽然不是真正的管道, 但
也可以把它们抽象为管道, 对于循环泵来说, 不用
计算, ∃P 为其扬程, 对于汽水分离器来, ∃P 也有 单独的算法。此外, 汽水引出管为不受热的双相管
hec-ras模型及其在桥梁阻水壅高计算中的应用
hec-ras模型及其在桥梁阻水壅高计算中的
应用
HEC-RAS（Hydrologic Engineering Centers' River Analysis System）是美国陆军工程部（US Army Corps of Engineers）开发的一种水力学建模软件，用于分析和模拟河流、水库和河口系统的水动力学行为。
HEC-RAS可以模拟水流的流速、流向、水位、流量等参数，并提供详细的水力学计算结果。
在桥梁阻水壅高计算中，HEC-RAS可以用于评估不同水位条件下的水流行为，包括流速、流量和水位的变化。
通过建立河流模型，可以模拟水流在桥梁下方的流动情况，并计算出流量、水位、流速等参数，从而评估桥梁的阻水壅高情况。
具体应用步骤如下：
1. 收集所需数据，包括河流几何信息、水流入口和出口信息、桥梁几何信息等。
2. 利用HEC-RAS软件建立河流模型，包括河流的几何结构、水流的流量输入与输出等。
3. 对模型进行参数设置，并进行模型的校核和验证，确保模型结果准确可靠。
4. 进行水动力计算，模拟不同水位条件下的水流行为，包括流速、流量和水位的变化。
5. 分析模型计算结果，评估桥梁的阻水壅高情况，判断是否满足设计要求。
6. 根据评估结果，进行桥梁的优化设计或者采取其他措施来解决阻水壅高问题。
HEC-RAS在桥梁阻水壅高计算中的应用可以提供准确的水动力参数，为桥梁设计提供重要的参考依据，有助于优化桥梁的设计和阻水
壅高问题的解决。
同时，HEC-RAS还可以用于河流管理、水库调度、洪水预警等方面的水力学分析和模拟，具有广泛的应用价值。
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单相区上升管差压为:
∃ P dxss=
Θ′gH +
ΚL
Θ′Ξ2 2
+
ΦΘ′2Ξ2
(3)
单管模型是一切其它模型的基础。 根据管流
双相区上升管两端的压差可用 (4) 式来表示:
方向、管内工质的状态又可以分为下降管与上升 管, 单相管与双相管。但各个具体的管种都可以用 图 3 所示的迭代算法进行计算, 只是差压计算时 有不同的计算方法。
水动力计算的任务包括各个回路中各个部件
循环流速、循环裕量及锅炉的循环倍率的计算以
及循环停滞、循环倒流的校验等几部分内容, 主要
以下降管、底部联箱、炉水循环泵、上升管屏、汽水
引出管及汽包汽水分离器等部件组合而成的管路
的压力流量平衡的计算为核心。 这些部件的计算
是不同的, 但共同的特点是均以其出入口差压的
(Q )、重力、阻力等因素, 出口参数变为 P 2、T 2、
X 2。 出入口差压 ∃P 由式 (1) 表示:
∃P = ΘgH ± (∃P j+ ∃P s+ ∃P js)
(1)
水动力计算在锅炉设计与校核中非常重要, 但由于锅炉结构形式与参数的变化繁多, 涉及到 很多变量、图表、复杂的逻辑与大规模的迭代计 算, 手工计算工作量大且精度低, 非常容易出错。 通用水动力计算软件的开发关键在于: 寻求便于 通过软件实现的, 锅炉各部件拓扑流程的统一描 述方法, 与“流量压力”整体平衡自动迭代求解的 算法。 本文提出了一种可以把水动力计算中沿程 各部件, 包括管道、汽包、循环泵都抽象成一种“抽 象管”的计算模型, 并以其为单元描述了整个水动 力“流量压力”平衡的结构, 给出自动求解的算法 与控制策略, 形成一套通用的水动力计算模型。依 照“面向对象编程 (OO P ) ”的思想方法开发出了 通用的计算程序, 并于 2002 年对北京大唐张家口 发电厂 3 号炉进行了计算应用, 获得了华北电力 集团公司的“科技成果奖”。
该管吸热量, G 为该管质量流量, H 1 表示本管入 口标高, 其余符号同式 (1)。
图 3 单管模型的计算方法
11111 下降管 下降管一般不吸收热量, 工质为单相水, 其压
饱和点的确定是非常重要的, 它决定了汽水 两相流动的长度, 所以它对于上升管的流动阻力 影响很大。由于饱和点可能在第一个管段内, 也有 可能在第二个管段内, 或在其后的管段, 这不但与
,
沿程阻力
∃P
s=
ΚL
Θ′Ξ2 2
,
而加速阻力
∃P
js 为
零。 所以, 式 (1) 变为式 (2) :
∃ P dx= Θ′gH -
ΚL
Θ′Ξ2 2
-
ΦΘ′2Ξ2
(2)
式中, Κ为摩擦阻力系数; L 为管长; Φ为局部
阻力系数; Θ′和 Ξ 为水的密度及流速; H 为汽包 水容积高度与下降管出口之间的高度差。
N o. 12 2004 华北电力技术 NO R TH CH INA EL ECTR IC POW ER 1
·试验研究·
水动力计算的通用模型
U n ive rsa l M ode l fo r H yd rodynam ic ca lcu la t ion
值。
11114 其它部件
循环泵、汽水分离器虽然不是真正的管道, 但
也可以把它们抽象为管道, 对于循环泵来说, 不用
计算, ∃P 为其扬程, 对于汽水分离器来, ∃P 也有 单独的算法。此外, 汽水引出管为不受热的双相管
流, 可视为 Q = 0 的上升管。
并联管的压差计算方法为: 假定各管流量分 配, 分别计算各管压差, 如果各管压差相等, 则计 算所得的压差为管屏的压差, 停止计算, 反之, 修 正各管的压差后再次进行计算。
2 华北电力技术 NO R TH CH INA EL ECTR IC POW ER N o. 12 2004
管屏流动时的磨擦力引起, 在单相管与双相管内 有不同的计算方法; 加速阻力仅存在于双相区, 因 水蒸汽与水之间的流速差而引起。
由于部件本身的特性及其布置组合的不同,“抽 象管”可具体化为“单管”与“组合管”模型。“单管”又 可以具体化为“下降管”、“上升管”、“汽水引出管”等 部件,“组合管”包括“并联管”与“串联管”。其中, 单 管是整个计算中最为基本的内容, 所有的计算必须 最终转化为单管的计算, 而由单管组合而成的组合 管则大大地方便了程序的调度与逻辑设计。
计算为中心。为了简化计算过程的调度, 本文把所
有这些部件都抽象成图 1 所示的抽象管模型。 其 中, 进口汽水工质为 P 1、T 1、X 1, 沿 途 由 于 吸 热
图 2 压差与流量的关系
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11112 上升管
上升管是比较复杂的, 因为受热, 使管内工质
汽化, 成为汽水混合物。但由于由省煤器中出来的
水具有一定的欠焓, 所以上升管中的水并不马上
就开始产汽, 而是经过一段加热后才达到饱和。所
以, 上升管有可能是单相管, 有可能是双相管, 也
有可能是过渡管, 即一段是单相管, 经过饱和点后
变为双相管。
加速阻力系数, Φ为局部阻力系数, 其余符号与式
(1) 中相同。 式 (3) 与式 (4) 在计算时要展开, 参见
文献[ 2 ]、[ 3 ]。
任意一根上升管子都可以通过图 4 表示的算
法进行计算。其中, 是否存在欠焓可以根据入口的
焓值与当地的饱和焓比较得出。 判断是否存在饱
和点可以通过比较其出口焓值与出口压力下的饱
差呈动力特性, 是锅炉自然循环流动的动力。根据 管子的排列组合有关, 还与计算时管段划分的长
《水动力计算标准》, 下降管中局部阻力 ∃P j= Φ 短有关。 本文用下面的方法把它自然地转化到管
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华北电力科学研究院有限责任公司 (北京 100045) 赵振宁
摘 要: 提出水动力计算的改进模型, 形成了一套 通用的水动力计算算法, 并在此基础上开发通用的 水动力计算软件, 在 2002 年北京大唐张家口发电 厂 3 号炉应用, 获得了华北电力集团公司的奖励。 关键词: 水动力; 计算; 锅炉; 通用模型 中图分类号: TV 13 文献标识码: A 文章编号: 100329171 (2004) 1220001204
抽象串联管 getD P ( )
循环泵 下降管
getD P getD P
()
()
含饱和点 双相
汽水
出汽管
上升管 上升管
分离器
getD P ( ) getD P ( ) getD P ( ) getD P ( )
图 6 抽象管继承结构图
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N o. 12 2004 华北电力技术 NO R TH CH INA EL ECTR IC POW ER 3
流压力计算的内部, 可以大大增加对象的独立性。
输入流量、入口压力、焓
存在欠焓
是
判断是否存在
饱和点
否 ↓
双相管计算压差
否 ↓
单相管计算压差
↓ 压差 = 饱和点前压差 + 饱和点后压差
图 4 上长管压差计算
11113 入口焓值的确定
由于下降管是锅炉水动力计算的起点, 所以
入口焓从下降管开始就要正确计算。 通过能量平
衡可知, 下降管入口的欠焓即为炉水欠焓 ∃ igl=
i′K
i sm
,
i′为汽包压力下的饱和水焓。
此后, 各部件入口焓都为上一部件的出口焓
抽象管
抽象复合管
getD P ( )
getD P11211 并联管模型
并联管如图 5 所示, n 根管子共享一个入口 联箱与出口联箱, 在这种情况下, 所有管子两端的 压差都相等, 总流量为各管流量之和。
抽象单管 getD P ( )
抽象并联管 getD P ( )
上升管中的工质吸热汽化是整个锅炉水循环 的主要动力。但对于水动力计算中, 它只是静态的 边际条件, 计算中可以按照《水动力计算标准》中 各种锅炉沿宽度及高度的受热不均系数和各管或 管屏所在的位置, 把炉膛中的辐射热量分配到每 一管上去, 或是用热流计实际测量炉内热量分布 系数。 111 单管模型
Θ′Ξ2 2
1 抽象管的计算模型
图 1 抽象管模型
式中, 第一项表示重力引起的压差; 第二项为 流动阻力。对于下降系统来说, 重力与阻力作用方 向相反, 取负号, 这时 ∃P 是促使工质流动的, 象 安置一台泵一样, 呈动力特性; 上升系统中, 重力 与阻力方向相同, 取正号, 由于这时重力与阻力的 方向都与工质流动方向相反, 所以这时的 ∃P 呈 阻力特性。在静压及其受热稳定的情况下, 下降系 统压差 ∃P xj和上升系统压差 ∃P ss主要由流速决 定, 可以写成 ∃P = f (G )。呈动力特性的 ∃P 变化 与流量 G 变化方向相反, 而呈阻力特性的 ∃P 变 化与流量 G 同向增减, 单管压差与流量的关系如 图 2 所示。 流动阻力包括局部阻力 ∃P j、沿程阻力 ∃P s、与加速阻力 ∃P js3 项。 局部阻力由管屏出入口 截面变化、节流、弯头等引起; 沿程阻力由于汽水沿
4 华北电力技术 NO R TH CH INA EL ECTR IC POW ER N o. 12 2004
2 程序总体控制策略
由于本文把水动力计算中所有的部件都抽象