燃气管道非稳态工况模拟的分析方法与软件研究

摘要

本文对天然气管道不稳定流动理论和计算方法进行了系统的研究，采用Visual C++开发了通用的天然气管道不稳定流动计算软件，以某市高压外环管网和枝状管网为例进行了不稳定流动进行了计算模拟分析，揭示了城市高压燃气管网不稳定流的变化规律，为高压燃气管网的设计、调控提供了理论依据。 本文针对目前天然气管道不稳定流动的计算过程中忽略对流项、惯性项和中立项等问题，首次在没有忽略任何项的动量方程、能量方程所建立的数学模型的情况下，分别采用了特征线法和隐式中心有限差分法对燃气管网不稳定流进行了求数值解。在所建立的数学模型的基础上提出采用特征线法对燃气管道进行数值求解时，利用逆步进法差分网格建立特征差分方程，并结合边界条件和初始条件对边界节点进行求解，由于边界节点的参数随时间的变化比较明显，因此该方法能提高计算精度。本文还采用了适用于慢瞬变流的守恒型求解数学模型的中心有限差分法，并利用Newton-Laphson法对形成的高阶非线性方程组进行了迭代计算。中心有限差分法是隐式格式的有限差分方法，具有二阶精度，精度高，计算速度快。 对特征线法与有限差分法各自的优点和缺点进行分析，针对它们的优点和缺点，在模拟天然气管网系统动态工况时，本文提出一种综合方法进行具体分析，即在长管元件的边界点(连接点)上采用特征线法计算，在其它情况下采用中心有限差分法，把这两种方法揉合在一起，克服了它们各自的不足，用Visual C++语言开发出燃气管道枝状和环状的动态模拟软件，对其进行实例计算分析，计算结果满足实际工程要求。 本文采用SHBWR状态方程替代常用的对比状态方程，采用牛顿迭代法求解，大幅度提高了天然气状态的计算速度与精度。由于在城市高压外环燃气管道中燃气的流态一般在紊流区，因此在确定管道摩阻系数时，选择计算较为准确的柯列勃洛克公式，采用牛顿迭代方式实现了使用该公式计算管道摩阻系数。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的背景

1.2世界长输天然气管道概况及技术发展水平

1.3国内外相关课题研究情况及发展趋势

1.4本课题的提出及意义

1.5本文的主要研究内容

第2章数学模型的建立与输气管线中的热力学分析

2.1引言

2.2不稳定流动数学模型的建立

2.3常用气体的状态方程的精度比较

2.4 SHBWR状态方程的求解

2.5有关热力学参数的计算

2.5.1热力学基本微分方程关系

2.5.2天然气物性参数的计算

2.6总传热系数K值的确定

2.7牛顿迭代法求解摩阻系数

2.8本章小结

第3章特征线法对天然气高压管网的动态仿真

3.1引言

3.2特征线方程的建立

3.3特征差分方程的建立

3.4边界条件

3.5迭代过程计算

3.6节点方程

3.7本章小结

第4章中心隐式差分法对天然气高压管网的动态仿真

4.1引言

4.2差分格式的建立

4.3差分格式边界条件和初始条件

4.4方程组封闭性分析

4.5非线形方程组的N—R法求解

4.6 Jacobi矩阵的形成过程分析

4.7本章小结

第5章特征线法与有限差分法相结合的方法

5.1引言

5.2综合法

5.3程序流程图

5.4本章小结

第6章软件开发

6.1引言

6.2软件设计

6.2.1软件结构

6.2.2软件特点

6.3数据模块编辑

6.3工程计算模块

6.4可视化对象技术

6.4.1可视化对象技术算法

6.4.2可视化对象技术的实现

6.5本章小节

第7章燃气管网瞬态计算实例

7.1引言

7.2枝状管网的动态模拟计算分析

7.3环状管网的动态模拟计算分析

7.4燃气管网的泄漏分析

7.5影响计算精度的因素分析

7.6本章小结

第8章结论和展望

8.1研究成果

8.2建议与展望

参考文献

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况

附录 不稳定流数值解计算结果