1、HAMMER水錘分析軟件及其數(shù)值模擬結果的驗證海思德(Hacsrad)公司創(chuàng)立于1979年，其全球總部位于美國康涅秋克州的Watertown市*經過將近30年的努力*已成為美國目前從爭水資源與給排水工程專業(yè)軟件開發(fā)研究的餵大專業(yè)團隊。它已經擁130000個用戶.遍布17()個國亂用戶既有人型自來水公司和政府機構，也有小型的市政再詢公司。19S5年”海思德H磧或就)公司中全球領矩的工程技術和產品進入中國后，深受廣大中國用戶稱贊，業(yè)務迅猛發(fā)展.多年來，海思德公司一直致力于管網(wǎng)模型技術的研究，目前擁有模型構造、水量分配、管網(wǎng)智能簡化、達爾文優(yōu)化設計和達爾文模型誤差校正等賽項獨創(chuàng)技術，洋且所有海思德產

2、品非常筒便、擁有高技術倉最的圖形接【丨、強文的計算引撃、高級的可視化第果表達工具.井且和AutoCAD和訂占系統(tǒng)無縫集成等共同特點。這些先進技術能夠幫助用戶快速且準確地建立管網(wǎng)模型。圏3.1為HAMMER軟件的啟動界面。昌BentleyBentleyHAMMERV8?SELECTsetisi1圖3.1HAMMER軟件啟勒界面Fig3.1ThestartinginLerfacecfHAMMERsoftware海思德公司擁有WatcrGEMS.HAMMERWa憶rCAD等供水管網(wǎng)模型軟件。其中HAMMER軟件是一個研究市政供水、排水、工業(yè)給水排水系統(tǒng)中水力瞬變過程(水錘)的計算棋擬軟件。由海恩德公

3、司于19汩年推出2侃年該軟件引入中國，目前國內已有上海市政設計院、北京市市政工程總院、中國市政華北設計研究院、北京自來水集團有限貴任公司、重慶市自來水總公司等人型設計院與水務集團等用戶購買HAMMER產品并將其用于實際工程。HAMMER適用于各種輸配水管道系統(tǒng)的水錘分析，包括長距離輸水管道、城市市政配水管網(wǎng)、多級泵站系統(tǒng)、調速泵系統(tǒng)、廠區(qū)管網(wǎng)、人流量工業(yè)水系統(tǒng)及水電站渦輪機發(fā)電機組及管路的水錘分析。HAMMER軟件的優(yōu)勢基于嚴密的水力瞬態(tài)計算法則一特征線法（MOC）HAMMER軟件基于特征線法（MOC）求解非穩(wěn)態(tài)條件下的連續(xù)性及動量方程，并集成了用于計算氣穴的形成并追蹤其變化和消失的復雜算法，

4、其強人的計算引擎可以進行剛性振蕩理論和彈性理論的無縫轉換，因而能準確模擬水錘過程。特征線法沿著管線劃分若干計算步長進行計算，精確獲取各點壓力流量的瞬態(tài)變化情況，無疑是最嚴密的水力瞬態(tài)分析計算法則，而基于設計波方法的計算準則（如波特征法）僅有節(jié)點計算結果，雖然能人人減少計算量，但該方法忽略了管線中間點的計算結果，因而卻降低了計算結果的準確性，比如水錘時系統(tǒng)高壓點并不總是在系統(tǒng)節(jié)點處、局部高點或是最低點出現(xiàn)。具有多種水力組件模型HAMMER中內含實際供水系統(tǒng)中如水池、泵、閥門、管線、節(jié)點等所有水力組件模型。除此之外，軟件中還包括如空氣閥、安全閥、止回閥、空氣罐、調壓塔等水錘防護設備模型，HAMME

5、R開放的界面還允許用戶自定義水力組件。通過HAMMER,可以精確模擬多種水錘防護設備的防護效果。包含較全面的水錘防護控制程序HAMMER包含最全面的水錘防護控制程序。用戶在使用過程中能方便進行形態(tài)參數(shù)的設置，如時間步長的選擇，既可以自己定義時間步長，又可根據(jù)內置的波速調整法或管長調整法自動選擇時間步長，而且用戶可從2（）多種設備中選擇并執(zhí)行無限數(shù)量的執(zhí)行方案，丙而能方便進行多種水錘工況的計算。水錘防護控制包括改變管線走向，增加水泵轉動慣量，閥門運行調控，防護設備設置位置及注意事項等策略。模型構建和管理方便借助HAMMER,可以使用操作簡便的拖放布局工具從頭開始構建管網(wǎng)，或與EPANETxWat

6、crCADxWatcrGEMS及其它水力模型無縫集成，從而避免耗時的模型構建過程；FlcxTablcs參數(shù)完全可以自定義，能加快數(shù)據(jù)輸入過程并且檢索結果，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的過濾、排序和全局編輯；此外，HAMMER還包括用于流體、材料、水泵、渦輪和閥門的個性化工程庫。計算結果表現(xiàn)形式豐富HAMMER軟件計算結果表現(xiàn)形式豐富，不僅可以反映整個管線各點最人、最小壓力、最人真空體積或最人空氣體積，而且還可以跟蹤各點壓力、流量、氣體體枳逐時變化情況。HAMMER軟件可以解決的問題HAMME軟件為用戶提供了基于精確數(shù)值解的水力計算引擎和簡單易用的用戶界面與接II,能夠有效地識別，管理和減輕供水管網(wǎng)瞬態(tài)變化的有

7、關風險。使用HAMMER能幫助我們解決如下問題：幫助我們了解水錘的產生機理，并且了解如何合理設置保護設備、設施，提供合理的水錘控制策略，避免管線和設備損壞，減少供水系統(tǒng)運營和維護成本;模擬多種瞬態(tài)工況，精確估計瞬態(tài)工況下管線的壓力，對設計的瞬變情況進行校核，提供合理的設計方案；防止供水管網(wǎng)系統(tǒng)事故斷電等情況下給基礎設施帶來的損壞等突發(fā)故障，盡量避免供水設施的服務中斷。HAMMER軟件的建模功能數(shù)據(jù)導入HAMMER有很完善的管網(wǎng)圖形輸入工具，用戶可以對模型拓撲結構如節(jié)點、管線、閥門、水泵等組件屬性進行編輯操作。用戶可以使用簡單的拖曳排列工具直接建立管網(wǎng)，可以直接識別AutoCAD的圖形來自動建立

8、水力模型，也可以與EPANETxWatcrCAD.WatcrGEMS以及其它管網(wǎng)水力模型進行無縫隙的接II連接。數(shù)據(jù)管理HAMMER水錘計算分析軟件對供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行開放型數(shù)據(jù)庫的模式管理，用戶在現(xiàn)有信息平臺的基礎上，可以容易與模型進行數(shù)據(jù)交換與管理。通過FlcxTablcs用戶可以可快速瀏覽各項管網(wǎng)參數(shù)并且很容易地成組輸入數(shù)據(jù)，可完全按用戶要求修改圖表或者創(chuàng)建一份圖表，如可選擇顯示變量，變量的名稱，甚至變量的單位和顯示精度。也可執(zhí)行咨詢功能和其它操作，如將圖表過濾而只留下符合某種標準的數(shù)據(jù)；通過拓撲關系管理，用戶可以在一個項目中建立多個拓撲關系，并在計算時任意切換；通過子模型管理用戶可以將幾

9、個獨立的管網(wǎng)子模型合并為一個完整的管網(wǎng)模型。模型簡化HAMMER能夠對管網(wǎng)模型進行自動簡化，可以自動簡化管網(wǎng)中的枝狀管、串聯(lián)管和并聯(lián)管道。其簡化方式可進行人工控制，系統(tǒng)可以自動以優(yōu)化的方式或按設置的簡化條件簡化枝狀管，如僅對DN30()以卜的管線進行簡化等。自動保持簡化過程中管段、節(jié)點屬性的正確性。可保證簡化后模型的計算結果與原模型相一致。自動劃分節(jié)點服務區(qū)域系統(tǒng)能夠自動根據(jù)管網(wǎng)中節(jié)點位置情況劃分出每個節(jié)點的供水服務范I韋I。該服務范I韋I可用來確定節(jié)點所包括的用戶水表數(shù)據(jù)和計算節(jié)點流量等。節(jié)點流量的計算可用節(jié)點流量分配器(LoadBuildcr)來實現(xiàn)，它可以根據(jù)用戶的水表信息進行用水量分配

10、，也可以根據(jù)區(qū)域面積和人II密度進行用水量分配。靜態(tài)與多時段EPS平差計算管網(wǎng)平差計算分為靜態(tài)分析和連續(xù)多時段分析兩種形式。靜態(tài)分析是指管網(wǎng)系統(tǒng)在某種特定條件下的運行模擬，這種特定條件是某種確定的用水量、閥門調度方案、水庫水位、水泵運行方案等。多時段分析是指模擬供水系統(tǒng)連續(xù)運行時的狀態(tài)變化情況，通過設定不同時段的節(jié)點流量變化曲線和水泵運行方案，就可以計算出每個時段供水系統(tǒng)運行狀況、了解期卩1J水池的水位變化及整個運行區(qū)f1J的實際能量損耗等。瞬態(tài)計算必須以靜態(tài)與多時段EPS平差計算結果為基礎。HAMMER用戶可以選擇使用內置穩(wěn)態(tài)引擎來自動計算初始條件或輸入穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。不過，如果有WatcrCAD

11、或WatcrGEMS,可以選擇WatcrCAD或WatcrGEMS的計算模型作為HAMMER模型的初始穩(wěn)態(tài)條件。3.2HAMMER軟件建模技術路線水錘計算模型拓撲結構主要由水庫或水池、閥門、止回閥、末端調節(jié)閥、管線和節(jié)點等組件組成，如圖3.2所示。水錘計算模型的建立須以各組件的的基礎數(shù)據(jù)為基礎。圖3.2水錘計算拓撲結構簡圖Fig3.2Topologydiagramofwaterhammercalculations3.2.1建模數(shù)據(jù)來源水錘計算模型的數(shù)據(jù)按照來源可以分為以下幾種,721：檔案數(shù)據(jù)：主要是管網(wǎng)拓撲結構組成要素的屬性數(shù)據(jù)，一般來源于設計竣工圖紙，GIS數(shù)據(jù)等，対于水錘計算模型，最好能

12、有詳細的管線平面和縱面CAD圖及泵站CAD圖；實測數(shù)據(jù)：由于年代久遠、檔案數(shù)據(jù)不完善、有些數(shù)據(jù)無法直接獲得或者數(shù)據(jù)錯誤，需要進行現(xiàn)場勘測，如用戶用水量變化曲線等；運行與監(jiān)測數(shù)據(jù)：可以通過SCADA系統(tǒng)獲取監(jiān)測點的水量、壓力泵的啟停狀態(tài)等數(shù)據(jù)；派生數(shù)據(jù)：對原始數(shù)據(jù)經過二次加工處理所得到的數(shù)據(jù)，例如用數(shù)學方法預測的用水量變化數(shù)據(jù)等。3.2.2建模數(shù)據(jù)屬性水錘計算分析所需的數(shù)據(jù)清單如下：水泵參數(shù)水泵參數(shù)包括：水泵形式、臺數(shù),者混流泵：水泵額定流量，最人流量,人揚程；水泵轉速、電機功率，效率,動慣量；水泵吸水管、出水管的內徑、是否為變頻泵，是否為離心泵，軸流泵或最小流量：水泵額定揚程，最小揚程，最水泵

13、位置高程；水泵、電機及泵機組的轉管材、管長、壁厚；止回閥類型，阻力系數(shù)，高程，閥門關閉規(guī)律。管段參數(shù)管段參數(shù)包括：管材、粗糙系數(shù)或海曾一威廉系數(shù)、管內徑、壁厚、管長、耐壓等級。節(jié)點參數(shù)節(jié)點參數(shù)包括：節(jié)點高程、節(jié)點流量。邊界條件邊界條件包括：吸水池最高、最低水位，正常水位，吸水管內徑、壁厚、長度、管材、海曾威廉系數(shù)；如果出水管末端是水池，則需水池尺寸或容枳，最高、最低水位及正常水位，出流形式，池前有無調節(jié)閥等；如果出水管不是水池，則需知道末端最人、最小、正常流量和水頭，以及出水端與下游的連接方式；水錘防護設備參數(shù)，如空氣閥在特定壓力卞的進排氣量、單雙向調壓塔尺寸和設置位置、空氣罐罐內初始容積和壓

14、力等。323水錘計算模型建立流程水錘計算分析步驟如圖3.3所示。首先對建模數(shù)據(jù)進行收集，最好能有泵站和管線的平面及縱面CAD圖，通過數(shù)據(jù)收集、分析、整理，如流體的蒸汽壓，水泵機組的轉動慣量等，并且対模型簡化處理后建立水錘計算模型；其次對計算模型的穩(wěn)態(tài)工況進行分析，以穩(wěn)態(tài)工況的計算結杲作為瞬變計算的初始條件，同時，對各種瞬變工況進行計算，求解的水錘計算結果也可以作為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況的校核，如事故停泵，消防用水等瞬變工況；最后，計算結果的輸出可為水錘分析及系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。泵站和管線的平面CAD圖、縱而CAD圖數(shù)據(jù)的收集、分析與整理模型簡化處理圖3.3水錘計算模型建立步驟Fig3.3Theestabl

15、ishedstepsofwaterhammercalculationmodel3.3水錘中試裝置數(shù)值模擬結果的驗證由于實驗條件的限制，中試系統(tǒng)水錘計算模型建立后，僅對停泵水錘時設置一級止回閥、設宣二級止回閥、設置空氣罐、泉前節(jié)點出流四種工況進行數(shù)值模擬，并對四種工況進行實驗研究，以對HAMMER軟件數(shù)值模擬結果進行驗證。3.3.1基于HAMMER軟件水錘計算模型的建立中試裝置水錘中試實驗裝置如圖3.4所示所示。中試實驗在重慶某水廠進行，整個實驗裝置由焊接鋼管、不銹鋼水箱、蝶閥、止回閥、水泵組成。系統(tǒng)靜揚程為12.47m,管路由DN100的焊接鋼管組成，管長為93.5m；水泵型號為Rsg65-2

16、00漩量30m3/h,額定揚程52m,額定轉速2900rpm額定功率7.5Kw。DM00接水廠出水管DN1001不銹鋼水箱：2DN100手動蝶閥：3DN10()電動蝶閥：4DN50手動蝶閥：5DN5O空氣閥:6壓力傳感器：7真空壓力衣：8止回閥：9離尤泵圖3.4實驗裝置示意圖Fig3.4Experimentaldeviceschemes水錘模型構建中試系統(tǒng)裝置可等效成由水箱、水泵、管段、節(jié)點等水力組件組成。將各水力組件的基本信息，如水箱水位、水泵流量、揚程、轉動慣量、節(jié)點、管段(見表3.1)等基礎信息輸入水錘計算模型，通過計算可以得出穩(wěn)態(tài)時結果，在此基礎上可對停泵水錘時設置二級止回閥、設置空氣

17、罐、泵前節(jié)點出流四種工況進行分析。管段上游水下游水編號力組件力組件P-1R-IPMP-1P-2PMP-1J-2P-3J-2J-3P-4J-3J-4P-5J-4J-5P-6J-5J-6P-7J-6J-7P-8J-7R-2管材管管管管管管管管一,r一yy一,r-鐘卸卸卸卸卸卸鉀衣3.1水力組件基礎唁息Table3.lBasicinformationofhydrauliccomponents管徑管長節(jié)點編節(jié)點流量節(jié)點高程(mm)(m)號(L/s)(m)()()()()()()()()()()()()()()06200.&2.9oL.()710.51.068.769774440.2.3.3注：經軟件水

18、錘波速器計算,波速為1316.90m/s3.3.2實驗設備及實驗方法主要實驗設備與儀器主要試驗設備及儀器如下表3.2所示。流量、壓力數(shù)據(jù)的采集：由安恒公司的生產的Lolog450壓力記錄儀與插入式流量計采集，壓力記錄儀數(shù)據(jù)采集頻率為1次/I秒，插入式流量計數(shù)據(jù)采集頻率為1次/分；流量、壓力數(shù)據(jù)的讀取：由安恒公司開發(fā)的與Lolog450壓力記錄儀、插入式流量計配套的Hydrin軟件完成。通過Hydrin軟件對壓力記錄儀初始記錄完成后，在泵附近止回閥前設置壓力傳感器。衣3.2主妥實驗設備及儀器Table3.2Maintestequipmentandinstruments序號設備名稱沒備規(guī)格單位數(shù)量

19、1水泵Rsg65-200臺12止回閥DNIOO臺23壓力記錄儀Lolog450個34插入式流量計Hydrin2700mm個15空氣罐個15秒農個16塑料桶個1實驗方法本實驗為斷電停泵時發(fā)生水錘的現(xiàn)場中試實驗，依次進行一級止回閥與二級止回閥實驗、空氣罐實驗、泵前節(jié)點分流實驗。1)一級止回閥與二級止回閥實驗水泵正常運行的頻率為4()Hz,運行一段時間后，觀察斷電停泵后的測壓點的壓力變化。分別對一級止回閥(開啟旁通管上的閥門，關閉二級1上回閥附近的上游閥門)與二級止回閥(關閉旁通管上的閥門，開啟二級止回閥附近的上游閥門)時工況進行實驗。實驗裝置整體效果如圖3.5所示。(a)級止回閥(b)二級止回閥圖

20、3.5級止回閥與二級止回閥實驗Fig3.5Single-stagecheckandtwo-levelcheckvalvesexperiments2)空氣罐實驗在一級止回的基礎上，將空氣罐設置在卜游水箱附近處，對其進行水錘實驗:開啟旁通管上的閥門，關閉二級止回閥附近的上游閥門，然后開啟空氣罐處的閥門。空氣罐容積為60L,初始壓力為0.4MPao泵正常運行時頻率為4()Hz,正常運行后突然斷電停泵。空氣罐實驗裝置如圖3.6所示。圖3.6空氣罐實驗Fig3.6Airvesselexperiments泵前節(jié)點分流實驗在一級止回閥（開啟二級止回閥旁通管處閥門，關閉二級止回閥上游閥門）進行泵前出流實驗，以

21、比較不同岀流量的水錘防護效果。節(jié)點流量計量采用計量堰測量法，出流量用DN25的不銹鋼管，出流量人小用閘閥來調節(jié)，出流量用塑料桶來計量，時間用秒表來計量。(3.1)塑料桶桶頂直徑為29.3cm，桶底直徑為23.8cm，桶高30cmV=牛久/心+才+少）得出容積為16.3L。在泵出II止回閥前安裝壓力傳感器測量瞬時斥力，并且在水泵出II3m處安裝插入式流量計測量瞬時流量和壓力。圖3.7泵前節(jié)點分流實驗Fig3.7Outflowexperimentsofnodebeforethepump3.3.3數(shù)值計算結果與實驗比較分析當設置單級止回閥、二級止回閥、空氣罐（位置在上游水箱附近）、泵前節(jié)點分流時，泵附近止回閥前壓力的實驗值與計算值分別如下圖3.8(a),(b),(c).(d)所示。752075207222211112220171520-2207.1n20106080100120140160180200時間/s(C)設置空