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輸配水管網餘氯濃度變化模型及其動態模擬

更新时间:2019-11-07 22:57人气:8876
氯是我國目前使用最廣泛的一種飲用水消毒劑 。在管網中添加氯以維持一定的餘氯濃度是維持管網水質的首要手段之一,是以,餘氯濃度也成為衡量管網水質好壞的一個首要指標。

  由於對餘氯濃度在輸配水管網中變化的機理研究相對成熟,目前國內外管網水質變化模擬的一個最首要指標便是餘氯。本文采用適合於離散動態係統模擬的事件驅動法來實現對管網中餘氯濃度變化的模擬。

  1.餘氯在管網中衰減的動力學模型

  引發餘氯在輸配水管網中衰減的影響身分很多,其中首要的且目前研究比較深進的兩大啟事有:餘氯與水體中存在的多種有機物和無機物發生反應;通過管壁四周層流層的質量轉輸與附著在管道或水池等其他管網組件壁上的生物膜發生反應。

  1.1 餘氯在水體中的衰減

  設水體中的餘氯濃度C,初始餘氯濃度 C0 ,學者R.M.Clark等[1]給出餘氯濃度在水體中隨時間的衰減函數為:

  .............................................................(1)

  函數中的兩個參數K,M,可由如下兩個經驗式求得:

  K=e0.32(CA0)-0.44(TOC) 0.63 ( pH ) -0.29 ( T ) 0.14 ..........................(2)

  Ln( M )=-2.46 - ( 0.19TOC ) – ( 0.14 pH ) –( 0.07T ) + ( 0.01T*PH ).....(3)

  其中:TOC--兌有機碳(mg/1) T——溫度( OC)

  1.2餘氯與管壁生物膜的反應和質量轉輸

  給定餘氯在容器壁上與生物膜反應的衰減速率常數KW,,全部過程的中餘氯衰減的微分動力式可表述為 [2]:

  ...............................................(4)

  kf——層流層到管壁的餘氯傳質係數(m/day)

  且: .............................................................(5)

  其中:Sh--舍伍德(Sherwood)數

  d--管徑

  D——餘氯在水中的擴散係數(20℃時,為0.10x10-3m2/d)

  舍伍德(Sherwood)數可以用以下兩式來求得:

  當Re<2300時:

  ..................................................(6)

  當Re≥2300時:

  Sh=O.023Re0.83Se0.333........................................................(7)

  其中:Re--雷諾(Reynolds)數(Re=Editor/2005-12/200512299045240.gif" width=15 align=absMiddle>);

  Sc——施密德(Schmidt)數(如:Sc=Editor/2005-12/200512299045644.gif" width=15 align=absMiddle>);

  L——管壁沿水流方向長度(m);

  v——水的活動粘滯係數(20℃時,為O.09m2/d);

  U--水的流速(m/s) 。

  2.事件驅動模擬機製道理

  根據所采用的坐標係的不同,實現對輸配水管網水質變化動態模擬的數值方法可分為歐拉法和拉格朗日法。

  水質在管網中實際的變化情況是時空都連續的,但無論是歐拉法還是拉格朗日法,都必須將水質變化連續的時間與空間離散後方能實現計算,如典型的歐拉法——有限元、有限差分法,需對空間坐標進行單元劃分,對時間設置計算步長 ,在一個空間單元內,水質分布均勻,在一個時間步長內,水質不發生變化。

  各種方法都必須離散時間與空間,但各種方法離散的道理與技術不同 。

  事件驅動模擬機製 ,在模擬啟動前,不要求事先規定離散的空間單元和時間步長值,而是通過分析輸配水管網的水質特性,根據管網水質變化的水力、水質特性,定義一些在管網水力、水質變化過程中有特殊意義的所謂“事件”,由事件相繼的發生,主動確定公道的空間和時間離散點,管網係統的水力和水質狀況隻在這些離散的點上發生變化,從而實現管網水質變化的動態模擬。

  定義1 水力事件:引發管網中流量和流速變化的外部事件 。

  定義2 水質事件:引發管網中用戶節點(最少一個)出流水質發生變化的內部事件。

  事件驅動模擬機製通過構造一個動態的“事件序列表”(由水力事件和水質事件構成),依“事件序列表”中的事件發生次序,主動天生計算時段、劃分水流單元體,添加新產生的事件人“事件序列表”的同時,更新原“事件序列表”中事件的預期發生時間 ,並依此重構“事件 序列表”。

  水力事件的序列由管網的水力分析程序獲得。水質事件序列則通過以下幾個步驟來天生:

  (1)初始化管網,管段內水流中指標物質濃度置用戶指定的初始值,模擬時鍾設為零。

  (2)在管段內相鄰水流單元體的交界麵設一指針(第一批指針由第一個水力事件的發生產生於各水源節點),每一個指針唆使其後一個水流單元體的各種水力參數,並包含以下四個最基本的字段(鄙人麵的淪述中,將根據程序的需要,進一步完善和細化各係統實體,包括水流單元體的屬性字段):TC, DT,CC和TA 。它們分別表示該指針建立的時間;在管段內距上遊節點的間隔;所唆使水流單元體內當前指標物質的濃度和當前水力條件下該指針到達下遊節點的預期時間 (即下一個水質事件的預期發生時間)。當事件發生時,在相應節點下遊天生新的指針。

  

  圖1 拉格朗日法節點計算過程

  (3)當指針到達一個節點,便產生一個或多個預期的水質事件,進行如下的幾個動作:

  a :該指針被開釋 ,相對應的水質事件從 “事件序列表”中清除,管網中其他所有指針的DT字段被更新:

  DTi,k=DTi,k十△t*ui.........................................................(1)

  式中,DTi,k表示管段i中第k個指針的DT字段;ui表示當前管段i中的流速 。

  b:由節點完全混合的流態模型,更新節點的指標物質濃度 。

  上述過程可由圖1表示。(假設初始時刻t0=0,三根管段內流速相同,ti表示指針sj到達節點j所需時間。)


  上述兩個事件定義中及計算方法中所指的“變化”,已不是實際的輸配水管網中水力或水質發生的“變化”。在實際管網中發生的變化,是連續發生的。在模擬的係統中 ,為係統給定一個水力變化閾值和水質變化閾值,當計算對象的數值的變化超過了給定的閾值時,模擬係統才以為發生了“變化”。

  

  是以,也可以將事件驅動模擬機製的模擬方法看成是對真實的管網水質變化係統在“變化”上作了離散 。顯然 ,正是由於對“變化”的離散,使得模擬係統能夠實現對空間和時間的主動離散。當模擬係統的水力或水質情況發生“變化”時,係統便在“變化”的這一時間點進行運算,其他的時間點不作任何動作,由此實現時間的動態離散;也隻有在模擬係統的水力或水質情況發生“變化”時,模擬係統進行一係列的運算,創建出水流單元體,指定單元體的前端空間位置(一維),並在某些事件發生時,完成水流單元體的創建 ,指定單元體的尾端空間位置(一維),由此實現空間的離散。總而言之,究竟離散的時間點和空間點在哪裏,不是在模擬運行前由用戶指定 ,而是通過模擬係統的運行,動態的根據係統狀況離散的“變化”激發的“事件”來主動驅動離散時間點和空間點的確定。

  3 控製模擬進程的事件調度法

  在離散動態係統的計算機模擬中,用來控製模擬進<1頁

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