基于有限差分的瞬态仿真热力求解方法、设备、存储介质和产品

本技术涉及燃气管网，尤其涉及燃气管网的热力求解。

背景技术：

1、管网仿真是智慧燃气中的基础环节，是其他几乎所有应用的技术基础。

2、天然气管道成网后，流动状态变化更加复杂，给运行管理和调度分配都带来了极大的挑战。天然气管网仿真技术由于只需要有限的现场数据，通过数值计算就能够有效地再现及预测管道内部的天然气流动状态，目前已广泛应用于管道设计与校核、投产、运行和调度员培训等众多方面，成为天然气管道业务最为常规使用的核心技术之一。

3、随着城镇燃气管网的扩大及管道铺设的复杂化和多样化，加大了调度人员理解和剖析管道运作形式的难度，无法准确处置和分析管道系统的事故发生情况以便提出和得到正确的解决方案，因此急需依照天然气管网中天然气的运作形式，了解天然气管网中诸环节之间的流动关系以及相互制约与影响的状况。现有的燃气管网的稳态仿真已经不能支撑对于供气可靠性，多气源置换，实时监测，智能优化调度等的研究瞬态仿真必要性显而易见，而且计算机技术的发展，使大型管网方程组求解可以实现。但是，随着管网规模以及复杂程度的逐渐加大，合适的数学算法与流程优化能够大幅提高仿真的速度与精准度。

4、基于各种理论的完善程度与实用性，以及参考文献等因素，现选择隐式有限差分法对管网进行瞬态仿真，该方法以taylor级数展开的方法，首先将控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散化处理，然后建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组，求解这个差分方程组就可得到未知函数在节点的函数值。

5、但是，有限差分法中热力求解难点在于针对对流项采用迎风格式产生四类不同管道的求解流程的优化，如果直接求解，特别是对于环状管网，针对特定节点，可以通过不同热力求解矩阵计算出，容易造成计算结果的选取混乱以及只选取单一结果而造成的精准度降低和重复遍历引起的计算时长的增加。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有基于有限差分的瞬态仿真热力求解精准度低和计算时间过长的问题，提供了基于有限差分的瞬态仿真热力求解方法、设备、存储介质和产品。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一方面，提供一种基于有限差分的瞬态仿真热力求解方法，所述方法包括：

3、步骤1、确定管道的起始端与终点端，筛选出第一类管道和第二类管道；

4、步骤2、利用第一类管道矩阵方程和第二类管道矩阵方程，对第一类管道和第二类管道进行预求解；

5、步骤3、根据流速方向判断第三类管道是否存在，如果存在，则对第三类管道方程进行求解，获得每条第三类管道中全部节点的温度值，其中，针对连接大于一个已求解管道的连接节点，将求解得到的管道边界节点温度值进行加权计算，获取该连接节点的温度值；如果不存在，执行步骤4；

6、步骤4、筛选边界条件已知的第一管道和第二类管道，根据边界条件，对所述边界条件已知的第一类管道和第二类管道进行求解，其中，针对连接大于一个已求解管道的连接节点，将求解得到的管道边界节点温度值进行加权计算，获取该连接节点的温度值；

7、步骤5、对所有已知温度值的节点所连接的管道进行遍历，判断是否存在第一类管道或第二类管道，如果存在，对所述第一类管道或第二类管道进行求解，其中，针对连接大于一个已求解管道的连接节点，将求解得到的管道边界节点温度值进行加权计算，获取该连接节点的温度值，直至不存在第一类管道和第二类管道；

8、步骤6、对第四类管道进行搜索，如果存在，则对所述第四类管道进行求解；否则，完成整个热力求解流程。

9、进一步地，所述筛选出第一类管道和第二类管道，具体包括：

10、根据单根管道起始节点和终止节点流速方向判断管道类型，筛选出第一类管道和第二类管道。

11、进一步地，所述加权计算的方法，具体包括：

12、假设待求节点编号为a，共存在n条管道与节点a相连接，现将这n条管道编号为1,2,3…j…n-1，n，将每条单管与节点a相连的边界节点温度数值定义为taj；在对管网中不同待求解管道进行计算时，会得到k条与节点a连接的单管边界节点温度数值，此时k≤n；

13、对i作如下定义：如果与节点a连接单管相邻的边界节点温度数值已被求解，i＝1；反之，i＝0；

14、如果k＞1，则利用水力求解，并根据与节点a相连接的管道j在节点a上的边界节点质量流量maj进行加权：

15、

16、将所有参与加权计算的k条单管的边界节点温度数值均用t替换。

17、进一步地，所述第一类管道矩阵方程为：

18、

19、其中，

20、

21、n代表某条管道中切分的管段数目；n代表当前时层，n-1代表上一时层；i代表单条管道中某个管段的编号，其中管段编号为1,2,3，…i，…n；△t表示瞬态仿真中设置的时间步长；x为沿管长流动距离；ω为气体的流速，t为天然气气体温度；

22、s(tin-1):f对t的一阶偏导，代入上一时层温度；

23、f(tin-1):f函数代入上一时层温度。

24、进一步地，所述第一类管道的求解方法，具体包括：

25、先判断节点类型，如果是起始端，则利用第一类管道预求解矩阵所得的α＝[α1,α2…αn,αn+1],γ＝[γ1,γ2…γn,γn+1]与已知的管道起始端温度t1通过ti＝t1αi+γi(2≤i≤n+1)求解管道各管段的温度值；如果节点为终点端，则通过tn+1＝t1αn+1+γn+1求解t1,之后代入ti＝t1αi+γi(2≤i≤n)求解ti。

26、进一步地，所述第二类管道矩阵方程为：

27、

28、其中，

29、

30、n代表某条管道中切分的管段数目；n代表当前时层，n-1代表上一时层；i代表单条管道中某个管段的编号，其中管段编号为1,2,3，…i，…n；△t表示瞬态仿真中设置的时间步长；x为沿管长流动距离；ω为气体的流速，t为天然气气体温度；

31、s(tin-1):f对t的一阶偏导，代入上一时层温度；

32、f(tin-1):f函数代入上一时层温度。

33、进一步地，所述第二类管道的求解方法，具体包括：

34、先判断节点类型，如果是起始端，则利用第二类管道预求解矩阵所得的α＝[α1,α2…αn,αn+1],γ＝[γ1,γ2…γn,γn+1]与已知的t1通过ti＝tn+1αi+γi(1≤i≤n)求解管道各管段的温度值；如果节点为终点端，则通过t1＝tn+1α1+γ1求解t1,之后代入ti＝tn+1αi+γi(2≤i≤n)求解ti。

35、第一方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时执行如上文所述的一种基于有限差分的瞬态仿真热力求解方法的步骤。

36、第二方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有多条计算机指令，所述多条计算机指令用于使计算机执行如上文所述的一种基于有限差分的瞬态仿真热力求解方法。

37、第三方面，本发明提供一种计算机程序产品，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的一种基于有限差分的瞬态仿真热力求解方法。

38、本发明的有益效果：

39、本发明针对热力求解对流项von neumann迎风格式产生的三通或者四通因为单一节点有多个边界条件而产生多个不同解的优化，防止对后续节点的求解产生影响。通过本发明流程，可以将多次重复遍历带来的计算冗余通过加权转化为计算精度的提高；也可以通过此发明遍历方法防止多次遍历带来的计算时长的增加。

40、基于有限差分的城镇燃气管网瞬态仿真热力求解优化，利用线性化离散化处理管网方程组，针对依次产生的不同管道类型的热力求解方程组，进行求解流程的优化，通过此发明流程以提高城镇燃气管网的热力计算速度与精度。

41、本发明适用于基于有限差分法的经过线性化、水热力解耦的瞬态仿真中的热力求解流程，是专门针对热力方程采取迎风格式而形成的离散方程组的一种求解方法。