HAMMER水锤分析软件及其数值模拟结果的验证.docx

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HAMMER水锤分析软件及其数值模拟结果的验证

HAMMER水锤分析软件及其数值模拟结果的验证

海思德公司创立于1979年，其全球总部位于美国康涅狄克州的

Watertown・经过将近30年的努力,已成为美国目前从事水资源与给排水工程专业软件开发硏究的最大专业团陆。

它己经拥有130000多个用户，垢布】充个国家.用户既有犬型自来水公司和政府机构，也启小型的市政许询公司。

1貂5年，海思德（Haestad）公司中全球潮先的匸程技术和产品进入中国后*深受广大中国用户称赞.业务迅猛发展。

多年来”海思徨会司•直致力于管网模型技术的研魚目前拥有模型构造、水量分配.管网智能简化、达尔文优化设计和达尔文模型课差校正等多顼独创技术，井且所有海思德产品非常简便、拥有高技术含量的图形接口、强大的计算引擎、高级的可视化结果表达工具+井且和AutoCAD和GIS系统无缝集成等共同栈

.这些先辿:

技术能芻信助用「快速"准确地建工管网模臥图加Zjhammer软件的启动界面。

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BentleyHAMMERV8?

图3.1HAMMER软件启动界面

Fig3*iThesuninginterfaceofHAMMERsofiware

海恩禮公司拥有WaierGEMS.HAMMER和WaterCAD第供水管网模型软件其中HAMMER软件是一个砒究市政供水、排水、工业给水排水系统中水力悔变过程（水锤）的计算用拟软件。

由海思建公司于1985年推出.20阳年该软件引入

中国，目前国内己有上海市政设计院、北京市市政IL程总院、中国市政华北设计研究院、北京自来水集团有限贵任公卡可、ffi庆i|j自來水总公司等大型设计院与水务集团等用户购买HAMMER产品并将其用于实际工程。

HAMMER适用于各种输配水管道系统的水锤分析，包括长距离输水管道、城市市政配水管网、多级泵站系统、调速泵系统、厂区管网、大流量工业水系统及水电站涡轮机发电机组及管路的水锤分析。

3.1.1HAMMER软件的优势

1基于严密的水力瞬态计算法则一特征线法（MOC）

HAMMER软件基于待征线法（MOC）求解非稳态条件下的连续性及动量方程，并集成了用于计算气穴的形成并追踪其变化和消失的复杂算法，其强人的计算引華可以进行刚性振荡理论和弹性理论的无缝转换，因而能准确模拟水锤过程。

特征线法沿林•线划分若干计»步长进行计算,精确获取各点』E力流量的瞬态变化情况，无疑是最严密的水力瞬态分析计算法则，而基于设计波方法的计算准则（如波特征法）仅有节点计算结果，虽然能衣人减少计算量，但该方法忽略了管线中何点的计算结果，因而却降低了计算结果的准呦性，比如水锤时系统高压点并不总是在系统节点处、局部高点或是最低点出现.

2具有多种水力组件模型

H/XMMER中内含实际供水系统中如水池、泵、阀门、管线、节点等所有水力组件模型。

除此之外，软件中还包括如空气阀、安全阀、止回阀、空气罐、调压塔等水锤防护设备模型，HAMMER开放的界面还允许用户自定义水力组件。

通过HAMMER,可以精确模拟艮种水锤防护设备的防护效果。

3包仟较仝而的水领防护控制程序

HAMMER包含最全面的水锤防护控制程序•用户在使用过程中能方便进行形态参数的设置，如时间步长的选择，既可以自己定义时间步长，又可根据内置的波速调整法或管长调整法自动选择时间步长，而且用户可从20参种设备中选择并执行无限数吊的执行方案，因而能方便进丨种水沌「•况的计算。

水锤防护控制包抵改变管线走向，增加水泵转动惯量，阀门运行调控，防护设备设置位置及注意事项等策略。

4模型构建和管理方便

借助HAMMER,可以使用操作简便的拖放布局工具从头开始构建管网,或与EPANET、WalcrCAD、WaterGEMS及其它水力模型无缝集成，从而避免耗时的模型构建过程；FlexTablcs参数完全可以自定义，能加快数据输入过程并且检索结果，可以实现数据的过滤、排序和全局编辑;此外，HAMMER还包括用于流体、材料、水泵、涡轮和阀门的个性化工程库。

5计算结果表现形式丰富

HAMMER软件计算结果表现形式丰雷,不仅可以反映整个管线各点最大、最小压力、报人真空体积或报人空气体积，而且还町以跟踪各点压力、流量、气体体积逐时变化情况。

3.1.2HAMMER软件可以解决的问题

HAMME软件为用户提供了基于精确数值解的水力计算引擎和简单易用的用户界面与接II，能够有效地识别，管理和减轻供水管网瞬态变化的有关风险。

使用HAMMER能帮助我们解决如F问题:

1帮助我们了解水锤的产生机理，并且了解如何合理设匱保护设备、设施,提供合理的水锤控制策略，避免管线和设备损坏，减少供水系统运营和维护成本;

2模拟多种瞬态工况，精确估计瞬态工况卞管线的压力，对设计的瞬变情况进行校核，提供介理的设计方案；

3防止供水管网系统爭故断电等悄况卜•给基础设施带來的损坏等突发故障，尽量避免供水设施的服务中断。

3.1.3HAMMER软件的建模功能

1数据导入

HAMMER有很完善的管网图形输入工具，用户町以对模型拓扑结构如节点、管线、阀门、水泵等组件属性进行编辑操作。

用户可以使用简单的拖曳排列工貝直接建立管网,可以直接识别AutoCAD的图形來自动建立水力模型,也可以与EPANET、WatcrCAD.WatcrGEMS以及其它管网水力模型进行无缝隙的接丨I连接。

2数据管理

HAMMER水饰计分析软件对供水网数据进行开放型数据原的模式管理，用户在现有借息平台的基础上，可以容易与模型进行数据交换与管理。

通过FlcxTablcs用户对以町快速浏览各项管网参数并且很容易地成组输入数据，町完全按用户要求修改图表或者创建一份图表，如町选择显示变量，变量的名称，茯至变盘的单位和显示梢度。

也可执行咨询功能和其它揀作,如将图表过滤而只留下符合某种标准的数据；通过拓扑关系管理，用户对以在一个项目中建立多个拓扑关系，并在计算时任意切换；通过子模型管理用户可以将几个独立的管网子模型合并为一个完幣的管网模型。

3模型简化

HAMMER能够对管网模型进行自动简化，可以自动简化管网中的枝状管、串联管和并联管道。

其简化方式町进行人工控制，系统町以自动以优化的方式或按设置的简化条件简化枝状管,如仅对DN300以F的管线进行简化等。

自动保持简化过程中管段、节点加性的正确性。

|U•保证简化后模型的计算结果与原模型相一

致。

4自动划分节点服务区域

系统能够自动根据n网中节点位置悄况划分出每个节点的供水服务范囤。

该服务范hi可用來确定节点所包括的用户水表数据和计算节点流量等.节点流量的计算可用节点流量分配器（LoadBuilder）來实现，它对以根据用户的水表信息进行用水晟分配，也nf以根据区域而积和人丨丨密度进行用水最分配。

5静态与多时段EPS平差计算

管网平差计算分为挣态分析和连续参时段分析两种形式。

静态分析是指管网系统在某种特定条件下的运行模拟，这种特定条件是某种确定的用水最、阀门调度方案、水库水位、水泵运行方案等.多时段分析是指模拟供水系统连纹运行时的状态变化情况，通过设定不同时段的节点流量变化曲线和水泵运行方案，就可以计算出每个时段供水系统运行状况、了解期间水池的水位变化及整个运行区间的实际能量损耗等。

瞬态计算必须以静态与多时段EPS平差计算结果为基础。

HAMMER用户可以选择使用内这稳态引擎來自动计算初始条件或输入稳态数据。

不过，如果仃WatcrCAD或WalcrGEMS,对以选择WaterCAD或WatcrGEMS的计算樓型作为HAMMER模型的初始稳态条件。

3.2HAMMER软件建模技术路线

水蚀计算模型拓扑结构主要由水库或水池、阀门、II:

回阀、木端调节阀、管线和节点等组件组成，如图3.2所示。

水饰计算模型的建立须以各组件的的基础数据为基础。

图3.2水锤计算拓扑结构简图

Fig3.2Topologydiagramofwaterhammercalculations

3.2.1建模数据来源

水蚀计算模型的数据按照来源可以分为以下几种I了$】：

1档案数据：

主要是管网拓扑结构组成要素的属性数据•一般来源于设计竣

工图纸,GIS数据等,对于水锤计算模型，最好能有详细的管线平面和纵面CAD图及泵站CAD图；

2实测数据：

由于年代久远、档案数据不完善、有些数据无法直接获得或者数据错误，需要进行现场勘测，如用户用水駅变化曲线等：

3运行与监测数据：

可以通过SCADA系统获収监测点的水量、压力泵的启停状态等数据：

4派生数据：

对原始数据经过二次加工处理所得到的数据，例如用数学方法预测的用水量变化数据等。

3.2.2建模数据属性

水锤计算分析所需的数据清单如卜•：

1水泵参数

数，高程，阀门关闭规律。

2管段参数

管段参数包括：

管材、粗糙系数或海艸一威廉系数、管内径、戦厚、符长、附压等级。

3节点参数

节点参数包括：

节点高程、节点流量。

4边界条件

边界条件包括：

吸水池报高、最低水位，正常水位，吸水管内径、壁厚、长度、管材、海曾•威廉系数：

如果出水管末端是水池，则需水池尺寸或容枳，放高、最低水位及正常水位，出流形式,池前有无调节阀等;如果出水管不是水池,则需知道末端最末、最小、正常流量和水头，以及出水端与下游的连接方式；水锤防护设备参数，如空气阀在特定压力下的进排气虽、单双向调压塔尺寸和设置位置、空气罐罐内初始容积和压力等。

323水锤计算模型建立流程

水锤计算分析步骤如图3.3所示。

首先对建模数据进行收集，瑕好能fj泵站和管线的平面及纵面CAD图，通过数据收集、分析、整理，如流体的蒸汽压，水泵机组的转动惯昴等，并且对模型筒化处理后建立水锤计算模型;其次对计算模型的稳态工况进行分析，以稳态工况的计算结果作为瞬变计算的初始条件，同时，对并种瞬变工况进行计算，求解的水缠计算结果也M以作为系统稳态工况的校核，

如丼故停泵，消防用水等瞬变工况：

最后.计算结果的输出可为水锤分析及系统优化提供依据。

泵站和管线的平面CAD图.

纵【hiCAD图

图3.3水锤计算模型建立步骤

Fig3.3Theestablishedstepsofwaterhammercalculationmodel

3.3水锤中试装置数值模拟结果的验证

由于实验条件的限制，中试系统水锤计算模型建立后，仅对停泵水锤时设置一级止回阀、设就二级止回阀、设盘空气锻、泵前节点出流四种工况进行数值模拟，并对四种工况进彳j•实验研究，以对HAMMER软件数值模拟结果进行验证。

3.3.1基于HAMMER软件水锤计算模型的建立

1中试装置

水锤中试实验装置如图3.4所示所示。

中试实验在乖庆菜水厂进行，幣个实验装置由焊接钢管、不锈钢水箱、蝶阀、止回阀、水泵錠成。

系统静扬程为12.47m,管路由DN100的焊接钢管组成，管长为93.5m：

水泵型号为Rsg65-200,流量30nf/h,额定扬程52m,额定转速290（）rpm,额定功率7.5Kw。

I人锈钢水箱；2DNI00手动蝶阀：

3DN100电动蝶阀：

4DN50手动蝶阀：

5DN50空气阀:

6压力传愉器：

7頁•空压力农：

8止冋阀：

9离心泉

图3.4实验装超示意图

Fig3.4Experimentaldeviceschemes

2水锤模型构建

中试系统装置可等效成由水箱、水泵、管段、节点等水力组件组成。

将各水力组件的基本借息,如水箱水位、水泵流量、扬程、转动惯量、节点、管段（见表3.】）等基础信息输入水悸计算模型，通过计算叫■以得出稳态时结果，在此基础上可对谆泵水锤时设置二级止回阀、设置空气罐、泵前节点出流四种工况进