transient flow
در نشریات گروه مهندسی آب-
Journal of Applied Research in Water and Wastewater, Volume:9 Issue: 2, Summer- Autumn 2022, PP 8 -21
To analyze transient flows, continuity and momentum equations must be solved. Due to the non-linear friction term in the momentum equation, numerical methods such as method of characteristics (MOC) are used to analyze the problem in thetime domain. Although numerical methods are easy to use, but they are numerically expensive and time-consuming, especially for advanced applications of transient analysis, e.g., real-time evaluations and fault detection algorithms, including inverse problem solutions. To cope with mentioned problems, an approximate analytical solution should be investigated, which is not required high computational time. To this end, the nonlinear equations should be linearized. Thus, the focus of this paper is to investigate the linearization methods. Therefore, four different linearization methods are applied and the resultingequations of each method in different RPV systems are solved. The efficiency of each method is compared with the results obtained from the numerical analysis of nonlinear governing equations. The results show that linearized water hammerequations provide reasonable results in early pressure wave cycles. The obtained results show that the coefficient of determination (R2) of the linearized models changes from 0.92 to 0.99. Also, by comparing the results of linearization modelswith each other, the linearized momentum equation in the time domain by replacing the mean velocity instead of the instantaneous velocity is the most accurate model which R2 is 0.999452.
Keywords: Pipeline systems, Transient flow, Method of characteristics, Time domain, Frequency domain -
یکی از مهمترین مباحث در طراحی خطوط لوله انتقال آب تحت فشار، حفاظت در برابر فشارهای ترانزینت ناشی از ضربه قوچ در خاموش شدن ناگهانی پمپ است. بهترین راه حل برای این منظور، استفاده از ایرچمبر برای کاهش فشارهای ترانزینت است که به تناسب حجم آن، هزینه قابل توجهی دارد. برای کاهش این حجم و کم کردن هزینه حفاظت، استفاده از شیرهای ورود هوا در نقاطی از خط لوله پیشنهاد می گردد. تعیین حجم مخزن ایرچمبر و نوع و نقاط مناسب برای قراردهی شیرهای هوا با هدف کاهش هزینه، یک مساله بهینه سازی است که در آن ضمن تلاش برای کاهش هزینه سیستم حفاظت، لازم است قرار گرفتن فشارهای ترانزینت سیستم در محدوده مجاز نیز کنترل گردد. لذا نتایج تحلیل ترانزینت سیستم بخشی از تابع هدف این بهینه سازی است. در این مقاله مدلی برای این بهینه سازی بر اساس روشCFO توسعه داده شده است. روشCFO یک روش قطعی است که برخلاف بسیاری از روش های تکاملی مانند الگوریتم ژنتیک (GA)، در اجراهای مختلف جوابهای یکسانی می دهد. لذا با درجه اطمینان بالایی می تواند جواب بهینه سازی را ارایه نماید. در این مقاله یک مطالعه موردی مربوط به یک خط لوله، یک بار با استفاده از مدل پیشنهادی به روش CFO و بار دیگر با روش GA بهینه سازی شد. نتایج هر دو روش یکسان بدست آمد و باعث صرفجویی به میزان حدود 30 درصد در هزینه حفاظت سیستم شد. با مقایسه دو روش همچنین نشان داده شد که CFO با تعداد تکرار کمتر و سرعت بالاتر نسبت به GA کارایی بیشتری در مدل ارایه شده دارد.
کلید واژگان: بهینه سازی، روش CFO، جریان غیرماندگار، خطوط لوله انتقال آبOne of the major challenges in designing under pressure water transmission pipeline is the system protection against water-hammer pressures due to a pump trip. The best strategy is to use air-chamber; which imposes considerable costs. To mitigate the air-chamber volume, the use of air-inlet valves is also suggested. Determination of air-chamber volume as well as the type and proper locations of air-inlet valves, aiming at the cost reduction, introduces an optimization problem. To solve this problem, this study exploits the central force optimization (CFO) method. Herein, a case study pipeline is optimized using the proposed model based on the CFO and is compared with results of a genetic algorithm (GA) based model. Both methods yielded almost the same results and led to about 30% saving in the system protection cost. However, a comparison between the methods showed that the CFO dramatically outperforms GA in both terms of computational efficiency and reliability of the results.
Keywords: Optimization, CFO, Transient flow, Transmission Pipeline -
بروز جریان های گذرا به دلیل شرایط بهره برداری در شبکه های آبرسانی امری اجتناب ناپذیر است. بنابراین تحلیل شبکه های آبرسانی برای جریان گذرا، جهت افزایش اعتمادپذیری سیستم امری ضروری است. از طرفی، دقت یک تحلیل به میزان زیادی وابسته به پارامترهای مختلف ورودی به مدل از قبیل زبری جدار لوله ها، اثرات نوسانی ضریب افت غیرماندگار و سرعت موج در لوله ها است. از آنجا که تعیین قطعی این پارامترها در عمل امکان پذیر نیست، این مسئله معمولا از طریق کالیبراسیون سیستم مورد مطالعه و عمدتا با روش های سعی و خطا و قضاوت مهندسی انجام می شود. خطوط لوله دارای پیچیدگی های ذاتی در تحلیل هیدرولیکی هستند. از سوی دیگر تعداد و اثرگذاری متقابل پارامترهای دینامیکی در این شبکه ها قابل توجه بوده و تشخیص صریح نقش هر یک در پاسخ های سیستم بسیار دشوار به نظر می رسد. از این رو برای کالیبراسیون شبکه های خطوط لوله تحت فشار تحت جریان های گذرا نیاز به استفاده از روش ها و مدل های سیستماتیک تر است. در این تحقیق با استفاده از تحلیل معکوس جریان گذرا در حوزه فرکانس، به چگونگی تخمین این پارامترها پرداخته شد. روش حل مسئله کالیبراسیون به صورت معکوس بر پایه یک سری اندازه گیری ها و محاسبات پایه گذاری شد، به گونه ای که در آن سعی شد تا تابع هدف با پیدا کردن پاسخ بهینه به حداقل مقدار خود برسد. روش ارائه شده با استفاده از یک مدل آزمایشگاهی مرجع مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج به دست آمده نشان می دهد که استفاده از این روش علاوه بر اینکه نتایجی رضایت بخشی در پی دارد، در عمل ساده بوده و از سرعت بالاتری نسبت به روش معکوس تحلیل جریان گذرا در حوزه زمان برخوردار است.کلید واژگان: کالیبراسیون، شبکه خطوط لوله، تحلیل معکوس، جریان گذرا، حوزه فرکانسTransient flows naturally occur in piping systems due to operation exigencies. It is, therefore, essential to analyze water distribution networks under transient flow conditions in an attempt to enhance their reliability. The accuracy of such an analysis highly depends on such input parameters as pipe wall roughness, wave speed, and unsteady friction loss coefficients. As these parameters vary from system to system and in different flow conditions, they cannot be definitively determined in practice. Generally, the parameters are determined by engineering judgments and trial-and-error estimations. For complex pipe networks, this can be very burdensome and time-consuming. Moreover, there are great numbers of dynamic parameters in water supply networks and their interactions are so complicated that it is extremely difficult to explicitly determine the role of each one in the system responses observed. This calls for mathematical simulation models to predict systems responses accurately. In this study, an inverse transient analysis model is introduced for the calibration of input parameters. A reverse method based on a series of measurements and computations was used for the solution of the calibration problem and efforts were made to reduce the value of the objective function by finding the optimum solution. However, the model introduced in this work differs from other similar ones in that inverse transient analysis models are often used in the time-domain while the current work uses the transfer matrix method to analyze the system in the frequency-domain. The frequency analysis of a pipe network not only provides a deep insight into the system performance but also speeds up the simulation and optimization computations. Finally, the model is applied to a lab-scale pipe network from the Technical University of Lisbon as a reference model. The parameters with dynamic effects are calibrated and compared with available data obtained from massive experimental observations and numerical trial-and-errors in the time domain. Results indicate not only that the model is adequately simple and faster than its counterpart model in the time domain but that it is capable of successfully calibrating the network with results in good agreement with observed data.Keywords: Calibration, Pipeline, network, Inverse Analysis, Transient Flow, Frequency Domain
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.