市政管网优化研究综述

栖云紫

市政管网优化研究综述

市政工程   刘紫璇   122081403006

摘要

市政管网优化技术可以提高城市水资源利用率。研究市政管网优化技术,重点是分析各项管网优化技术的适用性,面对日益突出的水资源紧张和国内市政管网中急需解决的问题。还可以将这个技术运用到计算流体力学从而针对污水处理中氧化沟处理构筑物建立氧化沟-污泥多相流模型，主要是利用计算流体力（CFD）中的软件FLUENT对氧化沟中的曝气机及推流器驱动这些组件进行流场模拟。以此可以预判不同情况下的流场，将表面曝气机与潜水推流器进行统一，合理设计出氧化沟，并且对污水厂的运行起到重要作。

关键词    FLUENT、氧化沟、管网优化

一、国内外研究现状

1、国内外对于氧化沟的研究现状

美国最早于80年代初期提出了一体氧化沟概念即将二沉池设计在氧化沟中，并且这一概念很快在社会得到应用及其发展，可以大胆的预测出氧化沟这一处理构筑物具有及其广阔的发展前景。在不影响氧化沟运行的情况下，充分利用氧化沟，对于氧化沟部分装置进行改装。

在我国污水处理厂中，氧化沟是作为一种重要的设计工艺之一，而在其设计中氧化沟的水力设计是此中的核心和关键。表面曝气的的氧化沟中最主要的是达到曝气、推流以及混合的统一。氧化沟的污水处理性能主要是与流体状态密切相关的。通常时候，氧化沟的内部流体主要是由曝气设备和推流设备驱动的，阻止活性污泥在设备内沉降。对于曝气池内流速的大小，一般利用单位体积所消耗的功率来判断。可是，较多情况下如果利用体积功率密度法也是不合理的，因为这种方法有时候会导致过度。在研究中，氧化沟内的流体的流态是规律流动，而在实际中可知流道内的流场分布是非常复杂的。经过实验及其分析可以得出，了解氧化沟内的流场分布情况，就是改善氧化沟内水力学性能的主要方面。在这个方面利用流体力学，特别是计算流体力学就是通过数值方法来求解一些描述流体流动的状态方程，就此结果分析得出一些流体特征。利用一些数学模型来研究氧化沟中水力特征虽然可以解决很大问题，但是数学模型的预测结果有时候也与氧化沟内的实际流速分布相差较大。

2、国内外对于FLUENT的研究现状

Computational fluid dynamics （简称CFD,计算流体力学），用离散化的数值方法及电子计算机对流体无黏绕流和黏性流体进行数值模拟和分析。无黏绕流包括低流速、跨声流速、超声速流等；黏性流动包括湍流、边界层流动等。计算流体力学是计算力学的一个分支，是为弥补理论分析方法的不足而于20世纪60年代发展起来的，并相应地形成了各种数值解法，主要是有限差分法和有限元法。流体力学运动偏微分方程有椭圆型、抛物型、双曲型和混合型之分，所以计算流体力学很大程度上就是针对不同性质的偏微分方程采用和发展相应的数值解法。Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，主要应用领域有，流体、热传递和化学反应等。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。通过FLUENT提供的用户自定义函数可以改进和完善模型，从而使得处理更加个性化的问题更加简便。

计算流体力学的兴起促进了流体力学的发展，改变了流体力学研究工作的状况，很多原来很难得到解决的问题都有了不同程度的发展，如超音速、高超音速钝体绕流、分离流以及湍流问题等。计算流体力学的兴起也促进了实验研究和理论分析的发展，为流体力学的研究工作提供新的前景。

二、研究方法

管网的优化布置与设计方法由于地形差异、水源质量及经济水平参差不齐，市政管网工程优化应该从以下几个方面进行深化研究：管网运行可靠性和经济性的管网优化；传统经典算法与新型算法相结合在市政管网优化布置方面的研究；环状管网、环状与树状相结合的混合。

计算流体力学研究问题的方法有以下几个特点：

（1）给出流体运动区域内的离散解，而不是解析解，这区别于一般理论分析方法。

（2）它的发展于计算机技术的发展直接相关。这是因为可能模拟的流体运动的复杂程度、解决问题的广度和能模拟的流体运动的复杂程度，都与计算机速度、内存等直接相关。

   （3）若物理问题的数学提法（包括数学方程及及其相应的边界条件）是正确的，则可在较广泛的流动参数（如马赫数、雷诺数、气体性质、模型尺度等）范围内研究流体力学问题，且能给出流场参数的定量结果。

近年来,提高供水领域的科学技术水平受到了企业的极大重视,现代化管理技术的手段不断得到加强,特别在供水系统信息化管理、计算机应用技术等方面,给水管网地理信息系统(GIS)、管网压力分布实时采集和监测系统(SCADA)和给水管网动态实时水力模拟系统(管网建模),为提高供水系统运行管理水平和优化调度奠定了良好的现代化技术基础,有效地提高了市政供水系统的现代化管理水平,提高了给水系统的运行稳定性、可靠性,为公司带来良好的经济效益和社会效益.建立给水管网计算机动态水力模型是当前国内外给水管网优化设计和运行工况分析的重要手段之一.应用给水管网计算机实时模拟软件技术,有效地提高了供水系统科学技术综合管理水平,为供水系统的改扩建和规划等工作提供了科学依据和现代化技术,促进了供水企业科学技术进步,取得了良好的经济效益和社会效益。

三、存在的问题

由于严格的稳定性分析、误差估计和收敛性理论的发展还跟不上数值模拟的的发展，所以在计算流体力学中，仍必须依靠一些较简单的、线性化的、与原来的而问题有密切关系的模型方程的严格数学分析，给出所求解问题数值解的理论依据。依靠数值实验、地面实验和物理特性分析，验证计算方法的可靠性，从而进步一步改进计算方法。

在研究树桩输水管网时，借鉴以往的对于管网优化设计的方法和工程实际等，运用MATLAB这一重要软件以及遗传算法最优化理论，以及一系列的通过各种分析研究的基础上，对树状管网的管网布置以及设计的管径进行优化处理，以此我们就可以建立了一套同步优化模型，并利用这一模型对所需要的管网进行同步优化及其计算处理。挑选出适合的程序及软件进行研究。

（1）在运用MATLAB进行优化设计的过程中，根据需要调用有关工具箱，可以使优化过程更加便捷。通过对MATLAB常用的三种工具箱的比较发现，选用Sheffield大学的GATBX遗传算法工具箱对树状管网布置和管径的同步优化结果更优。

（2）通过遗传算法与最小生成树算法的有机结合，研究了基于工程经验的树状灌溉管网优化模型。分析了树状管网单点供水的原则，得出了树状管网优化设计的方法，结合工程经验将管网连通图概化为有向网络图，使求解管网最小生成树的复杂度最小化。通过对不同接口技术的比较分析，利用COM组件可将VB、MATLAB程序和AutoCAD三者有机结合起来，编写了基于遗传算法的低压树状灌溉管网优化软件，实现了在不安装MATLAB的计算机上，通过调用软件同步实现灌溉管网的布置及管径优化，并将优化布置图通过AutoCAD程序进行同步输出，实现了优化程序与软件的集成一体化和可视化。

（3）基于整数编码的自适应遗传算法对环状管网进行优化设计，通过采用VB、ACCESS等编程工具，编写了环状管网优化系统，实现数学方程的程序化，操作界面的可视化，提高工作效率，使有利于操作及推广。

四、总结

随着市场经济的飞速发展，我国市政管网已进入大规模的开发应用阶段，市政管网的改造、推广工程也向大型化、复杂化和多样化的趋势发展，这对管网优化技术的计算速度、精确度及收敛性都提出了更高的要求。随着最优化理论、技术经济评价和计算机软件、硬件技术的不断发展，以及研究人员在市政管网优化设计领域的不断探索，这一领域将会取得更实用、应用更广泛的研究成果。利用CFD研究管网优化可以实现各个管段流量的分配与控制；及时获取用户不同时刻对于水量的需求以此获取并且进行对于总水量的生产控制，最终达到经济运行的目的；在各个管段满足最大水量约束条件下，就此满足不同用户的不同需求；根据运行结果进行更进一步的管网设计，防止并且发现管网故障。