喷灌管网系统水力计算方法研究及软件开发

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在现代节水灌溉方式中,喷灌由于其节水、增产、高效等优点,在大田、园林等灌溉工程中应用广泛。喷灌系统水力计算是设计和施工的基础,因此,对喷灌系统水力学特性进行深入研究非常必要。本文主要针对喷灌系统水力计算过程中出现的问题和不足,优化和提出了多种水力计算方法,并以这些方法为核心通过AutoCAD二次开发的手段完成了喷灌系统水力学计算软件的开发。本文的研究内容及取得的主要成果包括: 通过分析多种管道沿程水力损失计算公式的特点,应用Darcy-Weisbach摩擦损失方程对Hazen-Williams公式摩擦损失系数C进行了修正,修正的Hazen-Williams公式具有计算简单、结果准确等特点;应用连续性方程、能量方程和动量定理有针对性地分析计算了喷灌系统中常用分流三通和汇流三通的局部水头损失系数,为喷灌系统水力计算提供了简洁准确的数据;根据水力拟合思想,提出了幂函数形式的竖管流量公式,简化了竖管水力计算,提高了系统水力计算精度。 在研究分析逐段计算法计算思路和使用范围的基础上,提出了改进逐段计算法,并给出了明确的边界条件、初始条件和详细计算步骤。与已有方法相比较,该法应用伯努力能量方程和Darcv-weisbach摩擦损失方程对树状管网进行逐段分析计算,继承了逐段计算法的逻辑简单结果准确的优点;同时,退步法和进步法的综合应用,拓展了逐段计算法的使用范围,使其能对不同管径、不同喷头型号、不同地形情况的多级树状管网进行准确水力计算。 提出了将节点流量压力关系考虑在内的节点水头法。该法依据节点流量连续性方程、管道压降方程和节点流量压力方程建立数学模型,应用牛顿法对非线性方程组进行求解。工程应用实例表明,节点水头法可以分析多水源环状管网喷灌系统的水力学特性,求解精度高、使用范围广。 在优化和提出水力计算方法的基础上,完成了喷灌工程布置图前处理、管网图形逻辑关系、数据处理等关键技术的研究分析,开发了喷灌系统水力计算软件。该软件集成了逐段计算法、有限元法、节点水头法等多种水力计算方法,实现了树状管网、环状管网和多水源管网等各类水力计算问题的自动、准确、透明的求解。 本文所取得的研究成果,对于提高喷灌工程的设计水平、改善喷灌工程质量有着重要的指导意义,具有广泛的应用前景。
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