长距离输调水系统的水力瞬变流的模拟方法、装置及介质

本发明属于输水管网的水力瞬变流模拟，具体涉及一种长距离输调水系统的水力瞬变流的模拟方法、装置及介质。

背景技术：

1、我国长距离输调水系统的建设越来越多，城市输水管网也越建越大，因此，保证输调水系统运行状态良好，是输调水系统安全运行的重要保障之一；目前，常通过模拟输调水系统内的水力瞬变流，来评估系统的运行状态，即基于系统的水力瞬变流数据，来判断系统的输水管道等部件是否存在爆管等安全隐患，因此，输调水系统内的水力瞬变流模拟显得尤为重要。

2、在实际应用过程中，输调水系统的水力瞬变过程的模拟通常较复杂，尤其是包含管道有压流和明渠无压流的跨流域输水系统，其原因为：由于管道流和明渠流属于两种不容性质的流态，明渠流的重力波和管道流的弹性波在波速上相差几十倍，在模拟时面临计算时空不同步的难题，而目前并未存在一种简单高效的方法来统一进行管道有压流和明渠无压流的模拟，如此，则会导致输调水系统的水力瞬变模拟过程需要分开模拟，从而造成模拟时间长，效率低的问题，最终导致系统运行状态的评估时间较长；基于此，如何提供一种简单高效，且能够统一进行管道有压流和明渠无压流的水力瞬变流的模拟方法，已成为一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种长距离输调水系统的水力瞬变流的模拟方法、装置及介质，用以解决现有技术无法统一进行管道有压流和明渠无压流的水力瞬变流的模拟，从而造成模拟效率低，进而导致系统运行状态的评估时间较长的问题

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，提供了一种长距离输调水系统的水力瞬变流的模拟方法，应用于包含有管道流和明渠流的长距离输调水系统，其中，所述方法包括：

4、获取所述长距离输调水系统的输水参数数据；

5、利用所述输水参数数据，构建出所述长距离输调水系统的水流运动分布方程，其中，所述水流运动分布方程用于表征在不同输水时间步时，所述长距离输调水系统中管道内的第一水流运动宏观参数的微观表示，以及明渠内的第二水流运动宏观参数的微观表示；

6、根据所述水流运动分布方程，构建出所述长距离输调水系统的水力瞬变流模型；

7、基于所述水力瞬变流模型，得出所述长距离输调水系统的水力瞬变数据，以便利用所述水力瞬变数据，得出所述长距离输调水系统的运行评估结果，其中，所述水力瞬变数据包括所述长距离输调水系统中管道和明渠在不同输水时间步时的水力瞬变宏观数据。

8、基于上述公开的内容，本发明首先利用长距离输调水系统的输水参数数据，来将长距离输调水系统中管道和明渠内水流的宏观运动，映射至微观层面，从而构建出长距离输调水系统的水流运动分布方程，如此，即可利用该方程来建立管道和明渠内水流运动的微观量与宏观量之间的关联，接着，即可利用长距离输调水系统的水流运动分布方程，来构建出长距离输调水系统的水力瞬变流模型；而后，基于该水力瞬变流模型，即可同时得出管道和明渠在不同输水时间步时的水力瞬变宏观数据；最后，依据管道和明渠在不同输水时间步时的水力瞬变宏观数据，即可得出系统的运行评估结果。

9、通过上述设计，本发明通过建立长距离输调水系统中水流运动微观量与宏观量之间的联系方程，以基于此，来从微观层面上将长距离输调水系统中管道和明渠内的水流运动整合为同一性质的流态，而后，即可用该方法来统一进行管道和明渠内水力瞬变的模拟，也就是利用前述微观与宏观之间的联系方程，来建立整个长距离输调水系统的水力瞬变流模型，从而得出整个系统中管道和明渠在不同输水时间步时的水力瞬变宏观数据；由此，本发明在进行水力瞬变模拟时，针对管道和明渠，无需使用不同的水力瞬变模拟方法，可在同一时间步下，使用同一种方法，来进行管道和明渠内水力瞬变的模拟，如此，可提高模拟效率，进而降低系统运行状态的评估时长。

10、在一个可能的设计中，所述输水参数数据包括：所述长距离输调水系统中的管道输水参数数据和明渠输水参数数据；

11、其中，利用所述输水参数数据，构建出所述长距离输调水系统的水流运动分布方程，包括：

12、根据所述管道输水参数数据，构建出所述长距离输调水系统中的管道水流运动分布方程，其中，所述管道水流运动分布方程用于表征不同输水时间步时，所述长距离输调水系统中管道内的第一水流运动宏观参数的微观表示；

13、基于所述明渠输水参数数据，构建出所述长距离输调水系统中的明渠水流运动分布方程，其中，所述明渠水流运动分布方程用于表征不同输水时间步时，所述长距离输调水系统中明渠内的第二水流运动宏观参数的微观表示，且所述管道水流运动分布方程中的输水时间步，与所述明渠水流运动分布方程中的输水时间步相同；

14、利用所述管道水流运动分布方程和所述明渠水流运动分布方程，组成所述长距离输调水系统的水流运动分布方程。

15、在一个可能的设计中，所述管道输水参数数据包括：所述长距离输调水系统中管道的管道波速、第一重力加速度、管道管径以及管道摩阻损失系数；

16、其中，根据所述管道输水参数数据，构建出所述长距离输调水系统中的管道水流运动分布方程，包括：

17、利用所述管道波速以及所述第一重力加速度，并按照如下公式(1)，构建出管道内的第一水流运动宏观参数的第一局部平衡态分布函数，其中，所述第一水流运动宏观参数包括管道在不同输水时间步时的测压管水头和管道水流流速；

18、

19、上述公式(1)中，表示所述第一局部平衡态分布函数，x表示所述长距离输调水系统中管道的空间位置，t表示输水时间步，ht表示所述管道在第t个输水时间步时的测压管水头，ut表示所述管道在第t个输水时间步时的管道水流流速，g表示第一重力加速度，c表示管道波速，α表示管道内的水流的运动方向，且h0为管道的初始测压管水头、u0为管道的初始管道水流流速；

20、根据所述管道管径、所述管道摩阻损失系数以及不同输水时间步时的管道水流流速，并按照如下公式(2)，构建出管道的摩阻力函数；

21、

22、上述公式(2)中，rα(t)表示管道的摩阻力函数，f1表示所述管道摩阻损失系数，d表示所述管道管径；

23、利用所述第一局部平衡态分布函数和所述管道的摩阻力函数，构建出所述管道水流运动分布方程。

24、在一个可能的设计中，利用所述第一局部平衡态分布函数和所述管道的摩阻力函数，构建出所述管道水流运动分布方程，包括：

25、基于所述第一局部平衡态分布函数和所述管道的摩阻力函数，并按照如下公式(3)，构建出所述管道水流运动分布方程；

26、

27、上述公式(3)中，fα(x,t)表示所述管道水流运动分布方程，eα表示管道内的水流在α方向上的速度矢量，δt表示输水间隔时间步，τ表示第一无量纲松弛时间，表示所述第一局部平衡态分布函数，rα(t)表示管道的摩阻力函数。

28、在一个可能的设计中，所述明渠输水参数数据包括：所述长距离输调水系统中明渠的第二重力加速度以及底坡坡降；

29、其中，基于所述明渠输水参数数据，构建出所述长距离输调水系统中的明渠水流运动分布方程，包括：

30、利用所述第二重力加速度，并按照如下公式(4)，构建出明渠内的第二水流运动宏观参数的第二局部平衡态分布函数，其中，所述第二水流运动宏观参数包括明渠在不同输水时间步时的水位和明渠水流流速；

31、

32、上述公式(4)中，表示第二局部平衡态分布函数，x′表示所述长距离输调水系统中明渠的空间位置，t表示输水时间步，pt表示所述明渠在第t个输水时间步时的水位，ut′表示所述明渠在第t个输水时间步时的明渠水流流速，c′表示明渠内水流的离散运动速度，所述离散运动速度用于表征所述明渠内的水流运动被映射至lbm中的格子点上的流体粒子群的运动速度，c′＝δx′/δt，δx′表示所述明渠被映射至lbm中的格子的长度，δt表示输水间隔时间步，g′表示第二重力加速度，κ表示明渠内的水流的运动方向，且p0表示明渠的初始水位，u′0表示明渠的初始明渠水流流速；

33、根据所述第二重力加速度、所述底坡坡降以及不同输水时间步时的水位，并按照如下公式(5)，构建出所述明渠的摩阻力函数；

34、

35、上述公式(5)中，fκ(t)表示所述明渠的摩阻力函数，s0表示所述底坡坡降，sf表示摩阻水力损失，且其中，n表示糙率系数，r表示明渠的水力半径；

36、利用所述第二局部平衡态分布函数和所述明渠的摩阻力函数，并按照如下公式(6)，构建出所述明渠水流运动分布方程；

37、

38、上述公式(6)中，fκ(x′,t)表示所述明渠水流运动分布方程，eκ表示明渠内的水流在κ方向上的速度矢量，δt表示输水间隔时间步，τ′表示第二无量纲松弛时间，表示所述第二局部平衡态分布函数，fκ(t)表示所述明渠的摩阻力函数。

39、在一个可能的设计中，所述水流运动分布方程包括：所述长距离输调水系统中的明渠水流运动分布方程和管道水流运动分布方程，且所述输水参数数据包括所述长距离输调水系统中的管道输水参数数据和明渠输水参数数据；

40、其中，根据所述水流运动分布方程，构建出长距离输调水系统的水力瞬变流模型，包括：

41、根据所述管道水流运动分布方程，并按照如下公式(7)，构建出管道的压力模型，以及按照如下公式(8)，构建出管道的水流流速模型；

42、

43、

44、上述公式(7)中，ut+1表示所述管道的压力模型，fα(x,t)表示所述管道水流运动分布方程，t表示输水时间步，c表示所述管道输水参数数据中的管道波速，g表示所述管道输水参数数据中的第一重力加速度；

45、上述公式(8)中，ht+1表示所述管道的水流流速模型，eα表示管道内的水流在α方向上的速度矢量；

46、依据所述明渠水流运动分布方程，并按照如下公式(9)，构建出明渠的水位模型，以及按照如下公式(10)，构建出明渠的水流流速模型；

47、

48、

49、上述公式(9)中，pt+1表示所述明渠的水位模型，fκ(x′,t)表示明渠水流运动分布方程；

50、上述公式(10)中，ut′+1表示所述明渠的水流流速模型，eκ表示明渠内的水流在κ方向上的速度矢量。

51、在一个可能的设计中，所述方法还包括：

52、利用所述输水参数数据，并通过gpu上并行构建出所述长距离输调水系统的明渠水流运动分布方程和管道水流运动分布方程；

53、根据所述管道水流运动分布方程和所述明渠水流运动分布方程，并通过gpu并行构建出管道的压力模型、管道的水流流速模型、明渠的水位模型和明渠的水流流速模型；以及

54、基于所述管道的压力模型、所述管道的水流流速模型、所述明渠的水位模型和所述明渠的水流流速模型，并通过gpu并行计算出所述长距离输调水系统中管道和明渠在不同输水时间步时的水力瞬变宏观数据。

55、第二方面，提供了一种长距离输调水系统的水力瞬变流的模拟装置，包括：

56、数据获取单元，用于获取所述长距离输调水系统的输水参数数据；

57、离散单元，用于利用所述输水参数数据，构建出所述长距离输调水系统的水流运动分布方程，其中，所述水流运动分布方程用于表征在不同输水时间步时，所述长距离输调水系统中管道内的第一水流运动宏观参数的微观表示，以及明渠内的第二水流运动宏观参数的微观表示；

58、模型构建单元，用于根据所述水流运动分布方程，构建出所述长距离输调水系统的水力瞬变流模型；

59、模拟单元，用于基于所述水力瞬变流模型，得出所述长距离输调水系统的水力瞬变数据，以便利用所述水力瞬变数据，得出所述长距离输调水系统的运行评估结果，其中，所述水力瞬变数据包括所述长距离输调水系统中管道和明渠在不同输水时间步时的水力瞬变宏观数据。

60、第三方面，提供了另一种长距离输调水系统的水力瞬变流的模拟装置，以装置为电子设备为例，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述长距离输调水系统的水力瞬变流的模拟方法。

61、第四方面，提供了一种存储介质，存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述长距离输调水系统的水力瞬变流的模拟方法。

62、第五方面，提供了一种包含指令的计算机程序产品，当指令在计算机上运行时，使计算机执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述长距离输调水系统的水力瞬变流的模拟方法。

63、有益效果：

64、(1)本发明通过建立长距离输调水系统中水流运动微观量与宏观量之间的联系方程，以基于此，来从微观层面上将长距离输调水系统中管道和明渠内的水流运动整合为同一性质的流态，而后，即可用该方法来统一进行管道和明渠内水力瞬变的模拟，也就是利用前述微观与宏观之间的联系方程，来建立整个长距离输调水系统的水力瞬变流模型，从而得出整个系统中管道和明渠在不同输水时间步时的水力瞬变宏观数据；由此，本发明在进行水力瞬变模拟时，针对管道和明渠，无需使用不同的水力瞬变模拟方法，可在同一时间步下，使用一种方法，来进行管道和明渠内水力瞬变的模拟，如此，可提高模拟效率，进而降低系统运行状态的评估时长。

65、(2)本发明利用图形处理单元gpu，来并行计算系统中管道的水力瞬变数据，以及明渠的水力瞬变数据，如此，可同时进行系统中管道和明渠的水力瞬变的模拟，从而进一步的提高了系统的运行状态的评估效率。