2.2 瞬变流的研究方法

瞬变流的研究是水力学领域的热点问题之一。瞬变流的模拟、预测和控制是防止瞬变流危害的重要环节。最早引起工程师们重视的瞬变流问题出现在水电站的水力调速系统，水电站在甩负荷和增加负荷时，输水系统中的压力和流量波动对发电机组的稳定运行影响比较突出，如何预测和防治水锤对输水系统的影响是水电站输水系统极为关注的问题。此后，瞬变流问题在引水管道、市政管网和核电水力系统中被广泛研究。水锤的理论和模拟方法得到了深入的研究和发展。

基于水锤的理论分析，试验测试和数值模拟是水锤预测的主要方法。水锤的理论分析方法通常用于推导水锤的基本理论模型，这些模型只有在特定的情况下才能对水锤现象进行初步分析和简单估算，对复杂的水锤过程无法进行完全模拟和计算。试验测试的方法需要建立物理模型，需耗费大量的时间和成本，而且在相似和测试方面存在一定的难度。数值模拟方法通常需要建立较为复杂的理论方程和数学模型，由于无法直接获得这些方程的解析解，需要对方程进行离散，并编制相应的数值计算程序对瞬变过程进行模拟。在理论研究和数值模拟方面，水锤的模拟方法经历了图解法、解析法、特征线法和有限元法等。图解法能够对一些简单的边界进行处理，但该方法依靠作图求解，无法进行复杂的建模和计算。解析法需要求解复杂的方程，很多情况下，水锤方程无法获得特定的解析解。特征线法通过离散水锤方程，采用特征线数值方法进行求解。有限元法是采用有限元格式对系统中的非恒定流进行模拟计算，该方法网格划分相对复杂，计算量较特征线法大。

随着计算机和计算技术的发展和广泛应用，特征线数值计算方法已经成为目前最常用的方法之一。该方法的优点是理论基础可靠、计算结构简洁、能够应用于复杂的边界情况，并且技术路线清晰，实现起来非常明确。Wylie和 Streeter在文献［38］对特征线水锤计算方法进行了系统的阐述和验证。特征线水锤计算方法在水利领域、石油输送、核能发电和市政供水等领域受到科学家和工程师们的极大欢迎。该方法在电站过渡过程模拟、水泵的过渡过程模拟、输水系统中阀门的优化开启和关闭研究和工程应用中被广泛采用和发展，为预测瞬变流的压力波动强度、极值压力分布以及水锤的危害和控制提供了极大的便利。