1.4 调水工程瞬变流研究现状及发展趋势

有关瞬变流的研究持续了将近一个多世纪，从理论上讲，瞬变流模拟并不是一个复杂的问题，它所用到的相关基本理论和研究方法都趋于成熟。这些理论和方法以往在水电站的引水系统中得到了非常广泛的应用。最初的瞬变流研究主要源于水力发电站的管道引水系统的水力振荡。1904年，Joukovsky通过试验和理论分析获得了直接水锤情况下，瞬变流导致的压强变化值的计算公式，该公式建立了没有返射波叠加情况下的压强变化和水流流速变化的简单关系式，它可以应用到一些简单的直接水锤的瞬变流压力的粗略估算，但这种计算通常只应用于某点的瞬变流的压强变化。此后，Allievi开始更加深入地研究瞬变流理论与计算方法，并最终提出了阿维列水锤连锁计算方程。该方程可以对管路瞬变流随时间变化情况下不同断面的瞬变压力过程和分布进行计算，因此在当时得到了广泛的认可和应用，并且极大地激发了学者们对瞬变流的研究热情。此后，Streeter和Wylie等系统地总结出瞬变流的方程，它由连续方程和运动方程组成，该方程从理论上非常全面地描述了瞬变水流的运动。然而，瞬变流方程包含的连续方程和运动方程是双曲偏微分方程，无法获得其理论上的解析解，因而不能直接应用于瞬变流的计算和分析。为了利用瞬变流方程进行水锤分析，先后经历了解析法、图解法、特征线法、有限元法等。在这些方法中，特征线法（method of characteristics）由于结构简单、步骤清晰和易于编程等特点，成为了最受欢迎的方法。特别是随着计算机技术的发展，特征线方法几乎能够应用于所有的瞬变流计算。它也是目前在瞬变流计算中最常用的方法，该方法已经广泛应用于工业界的瞬变流模拟和研究。Wylie和Streeter在文献［38］中对特征线方法进行了系统的阐述，此外，Chaudhry也出版了文献［3］。这两本著作对管路和明渠的瞬变流分析与应用进行了经典的论述，为瞬变流的理论和模拟提供了宝贵的参考。随着20世纪70年代Fortran计算机语言的发展，瞬变流的特征线计算方法得到了前所未有的应用。该方法广泛地应用到电站、供水、核电、石油等相关领域的科学研究和工程优化。同时，在特征线方法的基础上，瞬变流理论和模拟计算方法得到了不断的扩充和改良。阀门系统的优化控制、瞬变流的二维模拟模型，非恒定摩擦阻力分析、弹塑性瞬变模型等均可以通过水锤特征线方法进行研究。目前，瞬变流的特征线方法不仅可以应用到所有复杂封闭管路的动态压力和流量的模拟，而且，也可以模拟明渠情况下的瞬变流过程。

在水利领域的研究中，早期的瞬变流模拟主要集中在水电站压力引水系统的瞬变过程。随着调水工程的发展和修建，瞬变流模拟的方法被直接应用到输水工程的瞬变流模拟。由于瞬变流理论和计算方法的相对成熟，有关调水工程的瞬变流模拟研究更加注重于实际应用和工程优化。特别是随着我国调水工程的不断修建，国内许多学者在调水工程的水力控制理论、数值模拟和实时仿真等方面开展了大量的实践研究，积累了大量的研究经验和科研成果。有关调水工程的瞬变流研究不断注重理论，而且非常注重结合实际的工程应用。杨开林等对南水北调、引黄入晋等工程的瞬变流问题进行了系统深入的研究，并将神经网络的方法应用到调水工程的水力控制仿真；练继建等对南水北调、掌鸠河引水、白溪引水等工程的瞬变流进行了诸多研究，并对北方冰期输水等进行了系统的研究，郑源、张健、刘德有等对管道系统的水力过渡和含气水锤的防护进行了大量研究；刘光临、刘梅清等研究了长输水管道的水柱分离以及空气罐对水锤的预防；李进平、杨建东等研究了非恒定摩阻对管道水力过渡过程的影响；党志良等对重力给水系统管道减压进行了探讨；钟登华、章晋雄、吴建华等将计算机的仿真应用到长距离输水工程的水流控制。此外，一些相关高等院校和科研部门都对输水工程的实时调度、工程应用的研究较为重视，并获得了大量的研究成果。

长距离调水工程通常经过不同的地质、地貌，而且输水形式和输水规模也各不相同，因此不同的工程在控制和运行方式上多种多样。在保证调水工程安全的前提下，满足适时、适量供水一直是调水工程的重要水力学难题。随着我国大量调水工程的兴建，不同工程的适时、适量输水导致的瞬变水流问题不尽相同。从水力学角度来看，无论是在设计还是在运行阶段，输水工程的瞬变流的预测和分析是保证工程安全稳定和优化运行的重要环节，不同的调水工程既有共性，也具有独特性。在未来的调水工程的瞬变流研究中，更加注重不同工程的具体水锤防护措施和优化控制方法。本书从瞬变流模拟和控制方面，对不同调水工程的控制方式、水力过渡过程进行分类建模和模拟分析，这些工程包括了自流压力输水形式、加压输水形式、有压管道形式和无压输水形式的调水工程，可为相关的工程在瞬变流建模、预测和优化控制等方面提供参考和借鉴。