專利名稱：一種新型的排水管網水力學系統(tǒng)建模與控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于城市排水領域，具體是一種在圣維南方程組基礎上，推導出適用于排水管道的水力學模型的方法。
背景技術：
國內外很多大城市的排水系統(tǒng)依然采用合流制排水系統(tǒng)，它是將生活污水、工業(yè)廢水和雨水混合在同一套溝道內排除的系統(tǒng)。但隨著城市規(guī)模的不斷擴大和降雨的頻繁發(fā)生，導致了合流制排水管道污水溢出，從而帶來了嚴重的環(huán)境污染問題。
基于圣維南方程組的排水管道管流水力學模型的解法，一種方法是采用隱式有限差分數值求解。另一種方法是特征線法。兩種方法都是數值計算方法。但兩者的不足之處在于
1.模型需要的變量較多，計算比較復雜。
2.都是數值計算方法，結果不夠準確。
3.數值計算方法比較耗時，不利于實時控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種在圣維南方程組基礎上，利用傳遞函數模型來快速計算管道水深的方法。該發(fā)明是在充分利用系統(tǒng)所有蓄水設備的前提下，使區(qū)域污水溢出污染最小化，提高了城市的防洪抗?jié)衬芰?，并為合流制排水系統(tǒng)的操作從手動向自動轉化奠定了基礎。避免在一個特定的區(qū)域發(fā)生了污水溢出而剩余的蓄水系統(tǒng)卻閑置的情況發(fā)生，最終達到區(qū)域污水溢出污染最小化。
本發(fā)明的技術方案是
合流制排水系統(tǒng)在圣維南方程組的基礎上獲得傳遞函數的水力學模型計算管道水深， 利用閥門等控制設施和蓄水設備達到兩個總的控制目標
(1)使區(qū)域總的污水溢出量最小化，避免在一個特定的區(qū)域發(fā)生了污水溢出而剩余的蓄水系統(tǒng)卻閑置的情況發(fā)生。
(2)充分利用現有的蓄水設備納洪，避免發(fā)生污水溢出，直到所有蓄水設備都滿了為止。
本發(fā)明方法的步驟包括 1)建立圣維南方程組通過分析我國城市排水管道中水流的水力學特性，再結合質量守恒定律和動量守恒定律得到適用于排水管道水流特性圣維南方程組
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權利要求
1. 一種新型的排水管網水力學系統(tǒng)建模與控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟1)建立圣維南方程組通過分析我國城市排水管道中水流的水力學特性，再結合質量守恒定律和動量守恒定律得到適用于排水管道水流特性圣維南方程組
其中
，表示在管污水W高度，表示污^fC流fi， 表示Tfc流方向W X yq距離；α表示垂直于向的管道的橫截面積表示地面坡度表示摩「且坡度ι表亍流體的統(tǒng)一速度， 表示曼林粗糙系數，τ表示排水管道的直徑，i表示旁側流量，t表示時間，g表示重力加速度；2)線性化圣維南方程組方程組采用泰勒級數展開的方法進行線性化；將排水管道的入口處，即x=o處的水流流速^和水位高度凡作為初始條件；線性化后方程組如下
其中
表示排水管道的直徑；G表示水波的初始速度；ij表示管道周長，4代表入口處水流的橫截面積；3)對線性化后的方程組進行拉斯變換及矩陣求解首先對方程組中兩個方程分別進行拉斯變換，其中Λ ￠4和& 分別代表.V(X)和 《O)的拉普拉斯變換變量；然后通過轉化把方程組表示為如下的矩陣形式；
上述矩陣在均勻流條件下的解是通過轉移矩陣獲得，滿足矩陣微分方程
為系數矩陣，所述的矩陣微分方程的解可以通過Picard迭代計算,其解形式為
為了獲得該解，需要對系數矩陣4 (x)進行對角化； 通過重新整理和應用上游和下游邊界條件，圣維南的轉移矩陣表示如下
其中
計算
即可獲得最終應用于排水管道的水力學傳遞函數模型，利用管道的輸入流量和閥門前的流量；即可利用該模型計算出管道中X處的水深
4)確定矩陣系數對圣維南的轉移矩陣通過低頻近似簡化，計算出本來的增益和極點
和
和
通過
處求極限獲得；通過相似的方法可知
和
；其中
和
,,將
和
利用泰勒級數展開，等式變?yōu)?br> 其中
排水管道的長度；5)調節(jié)閥門，控制水位高度增加了閥門控制的排水管道水力學計算模型如下
通過相應的閥門控制，得出通過閥門后的流量模型如下
-閥門隨時間的開度，B-閥門的寬度，C,-流量系數，g-重力加速度,i^U；!-閥門前的水位高度，L-管道的長度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型的排水管網水力學系統(tǒng)建模與控制方法。現有的計算方法比較耗時，不利于實時控制。本發(fā)明利用傳遞函數模型來快速計算管道水深的方法。該發(fā)明是在充分利用系統(tǒng)所有蓄水設備的前提下，使區(qū)域污水溢出污染最小化，提高了城市的防洪抗?jié)衬芰?，并為合流制排水系統(tǒng)的操作從手動向自動轉化奠定了基礎，同時避免了在一個特定的區(qū)域發(fā)生污水溢出而剩余的蓄水系統(tǒng)卻閑置的情況發(fā)生，最終達到區(qū)域污水溢出污染最小化。
文檔編號G05B17/02GK102183895SQ20111007228
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月24日 優(yōu)先權日2011年3月24日
發(fā)明者王建中, 魯仁全, 薛安克, 徐哲, 何楊 申請人:杭州電子科技大學