流體瞬變流是流體力學(xué)分支之一，在水資源配送、能源工業(yè)、運載工業(yè)、石化工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為了滿足各領(lǐng)域越來越復(fù)雜的流體輸送系統(tǒng)高效設(shè)計、安全運行、實時控制、精細(xì)化模擬的需要，本專著系統(tǒng)地介紹了流體瞬變流基本理論、基本方法和新的研究進(jìn)展。其中：1～5章分別講述流體瞬變流基本概念和基本方程、恒定流—有限單元法、非恒定流—廣義特征線法、動力裝置—廣義能量守恒、振蕩流—阻抗與狀態(tài)矩陣法；６～９章分別講述氣體瞬變流、液柱分離及含氣型氣液兩相瞬變流、明滿混合瞬變流、內(nèi)流管道系統(tǒng)流固耦合等工程應(yīng)用；10～12章側(cè)重瞬變流控制、閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性、瞬變流多維模擬等新的研究方向。
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目錄
第1章 流體瞬變流的基本概念和基本方程 1
1.1 流體瞬變流的基本概念 1
1.2 管道瞬變流的基本方程 2
1.2.1 動量方程 3
1.2.2 連續(xù)性方程 4
1.2.3 波速公式 5
1.3 明渠瞬變流的基本方程 7
1.3.1 動量方程 7
1.3.2 連續(xù)性方程 8
1.3.3 有側(cè)向入流的明渠瞬變流基本方程 8
1.3.4 二維的明渠瞬變流基本方程 8
1.4 流體瞬變流的研究方法 9
1.4.1 標(biāo)準(zhǔn)雙曲型偏微分方程的解析法 9
1.4.2 標(biāo)準(zhǔn)的非齊次雙曲型偏微分方程的解析法 10
1.4.3 數(shù)值計算方法 10
1.4.4 模型試驗和原型觀測 11
1.5 流體瞬變流的主要應(yīng)用領(lǐng)域 11
1.5.1 流體輸送 11
1.5.2 能源工業(yè) 15
1.5.3 運載工業(yè) 17
1.5.4 自激振蕩、射流、檢測技術(shù)的應(yīng)用 19
1.5.5 心血管系統(tǒng) 20
參考文獻(xiàn) 22
第2章 管網(wǎng)系統(tǒng)恒定流分析——有限單元法 23
2.1 管網(wǎng)系統(tǒng)基本特征與恒定流基本方程 23
2.1.1 管網(wǎng)系統(tǒng)基本特征 23
2.1.2 恒定流動量方程 25
2.1.3 管網(wǎng)系統(tǒng)恒定流計算方法 26
2.2 單元線性化方程 27
2.2.1 管道的單元方程 27
2.2.2 渠道的單元方程 27
2.2.3 邊界節(jié)點的點單元方程 29
2.2.4 內(nèi)節(jié)點的點單元方程 30
2.3 總體方程及求解 30
2.3.1 總體方程的矩陣表達(dá)式 30
2.3.2 求解的步驟與方法 32
2.3.3 實例驗證 32
2.4 管網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——基于圖形系統(tǒng)的自動編碼 35
2.4.1 圖形建模 35
2.4.2 自動編碼 35
2.4.3 動態(tài)編號方法 36
2.4.4 子管線組合自動尋線方法 37
2.4.5 工程實例 37
參考文獻(xiàn) 39
第3章 非恒定流時域分析——廣義特征線法 40
3.1 顯式有限差分法——特征線方程 40
3.1.1 有壓管道的特征線方程及求解 40
3.1.2 明渠的特征線方程及求解 45
3.2 基本邊界條件 47
3.2.1 邊界節(jié)點 47
3.2.2 內(nèi)部節(jié)點 49
3.3 隱式有限差分方程——Preissmann差分格式 53
3.3.1 管道非恒定流隱式差分方程 53
3.3.2 明渠非恒定流的隱格式差分方程 55
3.3.3 求解隱式差分方程（包括管道和明渠非恒定流）的追趕法 56
3.4 顯式與隱式有限差分法聯(lián)合求解——廣義特征線法 57
3.4.1 基本解法 57
3.4.2 迭代解法 59
3.4.3 管網(wǎng)的分層求解法 61
3.4.4 廣義特征線法的運用 62
參考文獻(xiàn) 64
第4章 動力裝置瞬態(tài)分析——廣義能量守恒 65
4.1 泵及輸送系統(tǒng)的瞬態(tài)分析 65
4.1.1 泵的分類 65
4.1.2 葉片泵的能量特性及相似律 65
4.1.3 泵及泵組合的數(shù)學(xué)模型 73
4.1.4 泵啟動、斷電等引起的瞬變過程 77
4.2 水輪機及系統(tǒng)瞬態(tài)分析 80
4.2.1 單位參數(shù)與水輪機模型綜合特性曲線 80
4.2.2 穩(wěn)態(tài)條件下水輪機工作參數(shù) 83
4.2.3 水輪發(fā)電機組的數(shù)學(xué)模型 86
4.2.4 水輪發(fā)電機組啟動、甩負(fù)荷等引起的瞬變過程 87
4.3 空壓機及系統(tǒng)瞬態(tài)分析 91
4.3.1 風(fēng)機的分類 91
4.3.2 往復(fù)式空壓機工作原理及活塞的運動規(guī)律 92
4.3.3 往復(fù)式空壓機的排氣量與流量脈動 95
4.3.4 空壓機的排氣溫度、功率計算 95
4.3.5 氣體輸配系統(tǒng)的瞬變過程 96
參考文獻(xiàn) 97
第5章 頻域法——阻抗法和狀態(tài)矩陣法 98
5.1 管道瞬變流基本方程線性化 98
5.2 阻抗法 100
5.2.1 管道線單元的阻抗表達(dá)式 100
5.2.2 各種點單元的水力阻抗表達(dá)式 101
5.2.3 駐波、行波和反射系數(shù) 107
5.3 矩陣法 108
5.3.1 線單元傳遞矩陣 109
5.3.2 節(jié)點單元傳遞矩陣 110
5.3.3 系統(tǒng)的總體傳遞矩陣 113
5.3.4 基于總體傳遞矩陣法的求解方法 121
5.4 頻率響應(yīng)分析 124
5.4.1 強迫振蕩 125
5.4.2 共振和自由振蕩 126
5.4.3 實例 126
參考文獻(xiàn) 130
第6章 氣體管道瞬變流及液體垂直波動與氣體耦合的瞬變流 131
6.1 管道中氣體流動的基本方程 131
6.1.1 連續(xù)性方程 131
6.1.2 動量方程 131
6.1.3 慣性因子物理意義與計算 132
6.1.4 定常流方程 132
6.2 管道中氣體瞬變流的計算方法 133
6.2.1 特征線解法 133
6.2.2 隱格式差分法 134
6.3 氣體管道瞬變流的數(shù)值模擬 135
6.3.1 氣體在單個管道中的瞬變流 135
6.3.2 氣體在管網(wǎng)中的流動 136
6.4 液體垂直波動與氣體耦合的瞬變流 136
6.4.1 調(diào)壓室通氣洞系統(tǒng)各邊界的首邊界方程 137
6.4.2 調(diào)壓室通氣洞系統(tǒng)各邊界的末邊界方程 140
6.4.3 影響因素分析 141
6.5 明滿流尾水洞通氣系統(tǒng) 147
6.5.1 數(shù)學(xué)模型 148
6.5.2 尾水洞通氣系統(tǒng)作用機理分析 151
參考文獻(xiàn) 155
第7章 液柱分離及含氣型氣液兩相瞬變流 156
7.1 基本概念 156
7.1.1 含氣型氣液兩相流的基本概念 156
7.1.2 氣體釋放和液柱分離的物理過程 157
7.2 含氣型氣液兩相瞬變流的數(shù)學(xué)模型及求解 160
7.2.1 三方程數(shù)學(xué)模型 160
7.2.2 特征線法原理、特征方程 161
7.2.3 含氣型氣液兩相瞬變流波速公式的討論 163
7.2.4 數(shù)值解 165
7.3 激波波速及激波的數(shù)學(xué)處理 167
7.3.1 激波波速的計算公式 167
7.3.2 激波的數(shù)學(xué)處理 169
7.4 氣體釋放的計算公式 171
7.4.1 平行來流、氣泡中心作平移運動的瑞利方程 171
7.4.2 擴(kuò)散方程和氣體釋放速率計算 171
7.5 含氣型空化與液柱分離 175
7.5.1 瑞利方程的數(shù)值分析與含氣型空化 175
7.5.2 含氣型空化的時間量級與篩核作用 177
7.5.3 液柱分離的充分條件及數(shù)學(xué)處理 179
參考文獻(xiàn) 184
第8章 明滿混合瞬變流與明滿交替流 185
8.1 基本概念 185
8.1.1 恒定流狀態(tài)下的基本特征 185
8.1.2 非恒定流狀態(tài)下的基本特征 187
8.2 激波擬合法 188
8.2.1 Wiggert模型 188
8.2.2 Song-Cardie-Leng模型 189
8.2.3 Sundquist模型 190
8.3 虛設(shè)狹縫法 190
8.3.1 傳統(tǒng)的虛設(shè)狹縫法 190
8.3.2 改進(jìn)的虛設(shè)狹縫法——三區(qū)模型 193
8.4 基于水錘方程與淺水方程耦合的明滿流模擬 195
8.4.1 控制方程和求解方法 195
8.4.2 邊界條件 197
8.5 氣液兩相流數(shù)學(xué)模型 202
8.5.1 一維氣液兩相流的基本方程 202
8.5.2 基本方程的特征值——壓力波和界面波 203
8.5.3 數(shù)值計算與討論 207
8.5.4 泡狀流、塞狀流、分層流的方程封閉以及流態(tài)的轉(zhuǎn)捩 214
參考文獻(xiàn) 217
第9章 內(nèi)流管道系統(tǒng)的流固耦合 219
9.1 流固耦合的機理 219
9.1.1 泊松耦合 219
9.1.2 節(jié)點耦合 220
9.2 流固耦合的數(shù)學(xué)模型和分析方法 221
9.2.1 基本方程 221
9.2.2 分析方法 222
9.3 流固耦合的特征線法及邊界條件 223
9.3.1 特征線方程及差分形式 223
9.3.2 邊界條件 229
9.3.3 實例分析 238
9.4 流固耦合的模態(tài)分析法及邊界條件 241
9.4.1 模態(tài)方程 241
9.4.2 邊界條件 248
9.4.3 實例分析 253
參考文獻(xiàn) 257
第10章 瞬變過程的控制與系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計 259
10.1 瞬變過程的目標(biāo)控制 259
10.2 瞬變過程控制的理論依據(jù)與方法 260
10.2.1 減小水擊壓強的理論依據(jù) 260
10.2.2 降低水擊波的波速 261
10.2.3 降低瞬變過程中管道流速 264
10.2.4 縮短壓力管道長度 265
10.2.5 改變系統(tǒng)的流體流動諧振頻率 265
10.3 閥門程控調(diào)節(jié) 266
10.3.1 無摩阻的閥門程控調(diào)節(jié) 267
10.3.2 限時程控調(diào)節(jié) 269
10.3.3 限壓程控調(diào)節(jié) 273
10.3.4 實驗驗證與工程應(yīng)用 275
10.4 基于進(jìn)化策略的水電站水力過渡過程的優(yōu)化 277
10.4.1 優(yōu)化計算的數(shù)學(xué)模型 277
10.4.2 進(jìn)化策略的基本原理 279
10.4.3 工程實例分析 280
參考文獻(xiàn) 283
第11章 瞬變過程的反饋控制與運行的穩(wěn)定性 284
11.1 瞬變過程反饋控制的基本概念 284
11.1.1 反饋控制的定義 284
11.1.2 反饋控制下流體輸送系統(tǒng)的實例分析 285
11.1.3 反饋控制下流體輸送系統(tǒng)瞬變過程的特點 291
11.1.4 反饋控制下流體輸送系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的評價指標(biāo) 292
11.2 瞬變過程反饋控制的數(shù)學(xué)模型 294
11.2.1 控制裝置的數(shù)學(xué)模型 294
11.2.2 流量調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型 296
11.2.3 反饋控制下流體輸送系統(tǒng)的整體數(shù)學(xué)模型 297
11.3 瞬變過程反饋控制的實例分析 298
11.3.1 反饋控制下流體輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定域 298
11.3.2 反饋控制下流體輸送系統(tǒng)的時域分析 303
參考文獻(xiàn) 304
第12章 基于有限差分法與有限體積法耦合的瞬變流多維模擬 305
12.1 耦合模擬的必要性 305
12.2 一維FDM與一維FVM的耦合模型及運用 307
12.2.1 一維有壓管道水錘方程FDM求解方法 307
12.2.2 一維有壓管道水錘方程的FVM求解及其邊界條件 308
12.2.3 一維明渠淺水方程的FVM求解方法及其邊界條件 310
12.2.4 一維FDM與一維FVM耦合模型的工程應(yīng)用 312
12.3 一維FDM與二維FVM的耦合模型及運用 314
12.3.1 二維淺水流動的控制方程及求解 314
12.3.2 一維FDM與二維FVM耦合模型的工程應(yīng)用 316
12.4 一維FDM與三維FVM的耦合模型及運用 320
12.4.1 三維瞬變流數(shù)學(xué)模型與計算方法 320
12.4.2 一維FDM與三維FVM耦合模型及驗證 323
12.4.3 一維FDM與三維FVM耦合模型的工程應(yīng)用 325
參考文獻(xiàn) 328
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