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第1章 流体瞬变流的基本概念和基本方程1

1.1 流体瞬变流的基本概念1

1.2 管道瞬变流的基本方程2

1.2.1 动量方程3

1.2.2 连续性方程4

1.2.3 波速公式5

1.3 明渠瞬变流的基本方程7

1.3.1 动量方程7

1.3.2 连续性方程8

1.3.3 有侧向入流的明渠瞬变流基本方程8

1.3.4 二维的明渠瞬变流基本方程8

1.4 流体瞬变流的研究方法9

1.4.1 标准双曲型偏微分方程的解析法9

1.4.2 标准的非齐次双曲型偏微分方程的解析法10

1.4.3 数值计算方法10

1.4.4 模型试验和原型观测11

1.5 流体瞬变流的主要应用领域11

1.5.1 流体输送11

1.5.2 能源工业15

1.5.3 运载工业17

1.5.4 自激振荡、射流、检测技术的应用19

1.5.5 心血管系统20

参考文献22

第2章 管网系统恒定流分析——有限单元法23

2.1 管网系统基本特征与恒定流基本方程23

2.1.1 管网系统基本特征23

2.1.2 恒定流动量方程25

2.1.3 管网系统恒定流计算方法26

2.2 单元线性化方程27

2.2.1 管道的单元方程27

2.2.2 渠道的单元方程27

2.2.3 边界节点的点单元方程29

2.2.4 内节点的点单元方程30

2.3 总体方程及求解30

2.3.1 总体方程的矩阵表达式30

2.3.2 求解的步骤与方法32

2.3.3 实例验证32

2.4 管网系统拓扑结构——基于图形系统的自动编码35

2.4.1 图形建模35

2.4.2 自动编码35

2.4.3 动态编号方法36

2.4.4 子管线组合自动寻线方法37

2.4.5 工程实例37

参考文献39

第3章 非恒定流时域分析——广义特征线法40

3.1 显式有限差分法——特征线方程40

3.1.1 有压管道的特征线方程及求解40

3.1.2 明渠的特征线方程及求解45

3.2 基本边界条件47

3.2.1 边界节点47

3.2.2 内部节点49

3.3 隐式有限差分方程——Preissmann差分格式53

3.3.1 管道非恒定流隐式差分方程53

3.3.2 明渠非恒定流的隐格式差分方程55

3.3.3 求解隐式差分方程（包括管道和明渠非恒定流）的追赶法56

3.4 显式与隐式有限差分法联合求解——广义特征线法57

3.4.1 基本解法57

3.4.2 迭代解法59

3.4.3 管网的分层求解法61

3.4.4 广义特征线法的运用62

参考文献64

第4章 动力装置瞬态分析——广义能量守恒65

4.1 泵及输送系统的瞬态分析65

4.1.1 泵的分类65

4.1.2 叶片泵的能量特性及相似律65

4.1.3 泵及泵组合的数学模型73

4.1.4 泵启动、断电等引起的瞬变过程77

4.2 水轮机及系统瞬态分析80

4.2.1 单位参数与水轮机模型综合特性曲线80

4.2.2 稳态条件下水轮机工作参数83

4.2.3 水轮发电机组的数学模型86

4.2.4 水轮发电机组启动、甩负荷等引起的瞬变过程87

4.3 空压机及系统瞬态分析91

4.3.1 风机的分类91

4.3.2 往复式空压机工作原理及活塞的运动规律92

4.3.3 往复式空压机的排气量与流量脉动95

4.3.4 空压机的排气温度、功率计算95

4.3.5 气体输配系统的瞬变过程96

参考文献97

第5章 频域法——阻抗法和状态矩阵法98

5.1 管道瞬变流基本方程线性化98

5.2 阻抗法100

5.2.1 管道线单元的阻抗表达式100

5.2.2 各种点单元的水力阻抗表达式101

5.2.3 驻波、行波和反射系数107

5.3 矩阵法108

5.3.1 线单元传递矩阵109

5.3.2 节点单元传递矩阵110

5.3.3 系统的总体传递矩阵113

5.3.4 基于总体传递矩阵法的求解方法121

5.4 频率响应分析124

5.4.1 强迫振荡125

5.4.2 共振和自由振荡126

5.4.3 实例126

参考文献130

第6章 气体管道瞬变流及液体垂直波动与气体耦合的瞬变流131

6.1 管道中气体流动的基本方程131

6.1.1 连续性方程131

6.1.2 动量方程131

6.1.3 惯性因子物理意义与计算132

6.1.4 定常流方程132

6.2 管道中气体瞬变流的计算方法133

6.2.1 特征线解法133

6.2.2 隐格式差分法134

6.3 气体管道瞬变流的数值模拟135

6.3.1 气体在单个管道中的瞬变流135

6.3.2 气体在管网中的流动136

6.4 液体垂直波动与气体耦合的瞬变流136

6.4.1 调压室－通气洞系统各边界的首边界方程137

6.4.2 调压室－通气洞系统各边界的末边界方程140

6.4.3 影响因素分析141

6.5 明满流尾水洞通气系统147

6.5.1 数学模型148

6.5.2 尾水洞通气系统作用机理分析151

参考文献155

第7章 液柱分离及含气型气液两相瞬变流156

7.1 基本概念156

7.1.1 含气型气液两相流的基本概念156

7.1.2 气体释放和液柱分离的物理过程157

7.2 含气型气液两相瞬变流的数学模型及求解160

7.2.1 三方程数学模型160

7.2.2 特征线法原理、特征方程161

7.2.3 含气型气液两相瞬变流波速公式的讨论163

7.2.4 数值解165

7.3 激波波速及激波的数学处理167

7.3.1 激波波速的计算公式167

7.3.2 激波的数学处理169

7.4 气体释放的计算公式171

7.4.1 平行来流、气泡中心作平移运动的瑞利方程171

7.4.2 扩散方程和气体释放速率计算171

7.5 含气型空化与液柱分离175

7.5.1 瑞利方程的数值分析与含气型空化175

7.5.2 含气型空化的时间量级与筛核作用177

7.5.3 液柱分离的充分条件及数学处理179

参考文献184

第8章 明满混合瞬变流与明满交替流185

8.1 基本概念185

8.1.1 恒定流状态下的基本特征185

8.1.2 非恒定流状态下的基本特征187

8.2 激波拟合法188

8.2.1 Wiggert模型188

8.2.2 Song-Cardie-Leng模型189

8.2.3 Sundquist模型190

8.3 虚设狭缝法190

8.3.1 传统的虚设狭缝法190

8.3.2 改进的虚设狭缝法——三区模型193

8.4 基于水锤方程与浅水方程耦合的明满流模拟195

8.4.1 控制方程和求解方法195

8.4.2 边界条件197

8.5 气液两相流数学模型202

8.5.1 一维气液两相流的基本方程202

8.5.2 基本方程的特征值——压力波和界面波203

8.5.3 数值计算与讨论207

8.5.4 泡状流、塞状流、分层流的方程封闭以及流态的转捩214

参考文献217

第9章 内流管道系统的流固耦合219

9.1 流固耦合的机理219

9.1.1 泊松耦合219

9.1.2 节点耦合220

9.2 流固耦合的数学模型和分析方法221

9.2.1 基本方程221

9.2.2 分析方法222

9.3 流固耦合的特征线法及边界条件223

9.3.1 特征线方程及差分形式223

9.3.2 边界条件229

9.3.3 实例分析238

9.4 流固耦合的模态分析法及边界条件241

9.4.1 模态方程241

9.4.2 边界条件248

9.4.3 实例分析253

参考文献257

第10章 瞬变过程的控制与系统的优化设计259

10.1 瞬变过程的目标控制259

10.2 瞬变过程控制的理论依据与方法260

10.2.1 减小水击压强的理论依据260

10.2.2 降低水击波的波速261

10.2.3 降低瞬变过程中管道流速264

10.2.4 缩短压力管道长度265

10.2.5 改变系统的流体流动谐振频率265

10.3 阀门程控调节266

10.3.1 无摩阻的阀门程控调节267

10.3.2 限时程控调节269

10.3.3 限压程控调节273

10.3.4 实验验证与工程应用275

10.4 基于进化策略的水电站水力过渡过程的优化277

10.4.1 优化计算的数学模型277

10.4.2 进化策略的基本原理279

10.4.3 工程实例分析280

参考文献283

第11章 瞬变过程的反馈控制与运行的稳定性284

11.1 瞬变过程反馈控制的基本概念284

11.1.1 反馈控制的定义284

11.1.2 反馈控制下流体输送系统的实例分析285

11.1.3 反馈控制下流体输送系统瞬变过程的特点291

11.1.4 反馈控制下流体输送系统调节品质的评价指标292

11.2 瞬变过程反馈控制的数学模型294

11.2.1 控制装置的数学模型294

11.2.2 流量调节的数学模型296

11.2.3 反馈控制下流体输送系统的整体数学模型297

11.3 瞬变过程反馈控制的实例分析298

11.3.1 反馈控制下流体输送系统的稳定域298

11.3.2 反馈控制下流体输送系统的时域分析303

参考文献304

第12章 基于有限差分法与有限体积法耦合的瞬变流多维模拟305

12.1 耦合模拟的必要性305

12.2 一维FDM与一维FVM的耦合模型及运用307

12.2.1 一维有压管道水锤方程FDM求解方法307

12.2.2 一维有压管道水锤方程的FVM求解及其边界条件308

12.2.3 一维明渠浅水方程的FVM求解方法及其边界条件310

12.2.4 一维FDM与一维FVM耦合模型的工程应用312

12.3 一维FDM与二维FVM的耦合模型及运用314

12.3.1 二维浅水流动的控制方程及求解314

12.3.2 一维FDM与二维FVM耦合模型的工程应用316

12.4 一维FDM与三维FVM的耦合模型及运用320

12.4.1 三维瞬变流数学模型与计算方法320

12.4.2 一维FDM与三维FVM耦合模型及验证323

12.4.3 一维FDM与三维FVM耦合模型的工程应用325

参考文献328