本书全面系统地介绍管网系统（包括有压流和无压流）流体瞬变流的基本理论和实用方法，其中涉及管网系统有关的动力装置，如泵、水轮机、空压机等。全书分为12章，从流体瞬变流基本理论，较特殊、较复杂管网系统流体瞬变流的工程应用，以及瞬变流控制、闭环系统稳定性、瞬变流多维模拟等专题共三个方面进行深入浅出的论述。本书绝大多数内容是武汉大学“水电站过渡过程与控制”课题组近20年的研究成果，为解决管网系统瞬变流设计和运行面临的主要难题提供理论依据、分析手段和工程措施。
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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
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