●目錄
第1章 流體瞬變流的基本概念和基本方程 1
1.1 流體瞬變流的基本概念 1
1.2 管道瞬變流的基本方程 2
1.2.1 動量方程 3
1.2.2 連續性方程 4
1.2.3 波速公式 5
1.3 明渠瞬變流的基本方程 7
1.3.1 動量方程 7
1.3.2 連續性方程 8
1.3.3 有側向入流的明渠瞬變流基本方程 8
1.3.4 二維的明渠瞬變流基本方程 8
1.4 流體瞬變流的研究方法 9
1.4.1 標準雙曲型偏微分方程的解析法 9
1.4.2 標準的非齊次雙曲型偏微分方程的解析法 10
1.4.3 數值計算方法 10
1.4.4 模型試驗和原型觀測 11
1.5 流體瞬變流的主要應用領域 11
1.5.1 流體輸送 11
1.5.2 能源工業 15
1.5.3 運載工業 17
1.5.4 自激振蕩、射流、檢測技術的應用 19
1.5.5 心血管繫統 20
參考文獻 22
第2章 管網繫統恆定流分析——法 23
2.1 管網繫統基本特征與恆定流基本方程 23
2.1.1 管網繫統基本特征 23
2.1.2 恆定流動量方程 25
2.1.3 管網繫統恆定流計算方法 26
2.線性化方程 27
2.2.1 管方程 27
2.2.2 渠方程 27
2.2.3 邊界節點方程 29
2.2.4 內節點方程 30
2.3 總體方程及求解 30
2.3.1 總體方程的矩陣表達式 30
2.3.2 求解的步驟與方法 32
2.3.3 實例驗證 32
2.4 管網繫統拓撲結構——基於圖形繫統的自動編碼 35
2.4.1 圖形建模 35
2.4.2 自動編碼 35
2.4.3 動態編號方法 36
2.4.4 子管線組合自動尋線方法 37
2.4.5 工程實例 37
參考文獻 39
第3章 非恆定流時域分析——廣義特征線法 40
3.1 顯式有限差分法——特征線方程 40
3.1.1 有壓管道的特征線方程及求解 40
3.1.2 明渠的特征線方程及求解 45
3.2 基本邊界條件 47
3.2.1 邊界節點 47
3.2.2 內部節點 49
3.3 隱式有限差分方程——Preissmann差分格式 53
3.3.1 管道非恆定流隱式差分方程 53
3.3.2 明渠非恆定流的隱格式差分方程 55
3.3.3 求解隱式差分方程（包括管道和明渠非恆定流）的追趕法 56
3.4 顯式與隱式有限差分法聯合求解——廣義特征線法 57
3.4.1 基本解法 57
3.4.2 迭代解法 59
3.4.3 管網的分層求解法 61
3.4.4 廣義特征線法的運用 62
參考文獻 64
第4章 動力裝置瞬態分析——廣義能量守恆 65
4.1 泵及輸送繫統的瞬態分析 65
4.1.1 泵的分類 65
4.1.2 葉片泵的能量特性及相似律 65
4.1.3 泵及泵組合的數學模型 73
4.1.4 泵啟動、斷電等引起的瞬變過程 77
4.2 水輪機及繫統瞬態分析 80
4.2.1 單位參數與水輪機模型綜合特性曲線 80
4.2.2 穩態條件下水輪機工作參數 83
4.2.3 水輪發電機組的數學模型 86
4.2.4 水輪發電機組啟動、甩負荷等引起的瞬變過程 87
4.3 空壓機及繫統瞬態分析 91
4.3.1 風機的分類 91
4.3.2 往復式空壓機工作原理及活塞的運動規律 92
4.3.3 往復式空壓機的排氣量與流量脈動 95
4.3.4 空壓機的排氣溫度、功率計算 95
4.3.5 氣體輸配繫統的瞬變過程 96
參考文獻 97
第5章 頻域法——阻抗法和狀態矩陣法 98
5.1 管道瞬變流基本方程線性化 98
5.2 阻抗法 100
5.2.1 管的阻抗表達式 100
5.2.2 各的水力阻抗表達式 101
5.2.3 駐波、行波和反射繫數 107
5.3 矩陣法 108
5.3.1傳遞矩陣 109
5.3.2 傳遞矩陣 110
5.3.3 繫統的總體傳遞矩陣 113
5.3.4 基於總體傳遞矩陣法的求解方法 121
5.4 頻率響應分析 124
5.4.1 強迫振蕩 125
5.4.2 共振和自由振蕩 126
5.4.3 實例 126
參考文獻 130
第6章 氣體管道瞬變流及液體垂直波動與氣體耦合的瞬變流 131
6.1 管道中氣體流動的基本方程 131
6.1.1 連續性方程 131
6.1.2 動量方程 131
6.1.3 慣性因子物理意義與計算 132
6.1.4 定常流方程 132
6.2 管道中氣體瞬變流的計算方法 133
6.2.1 特征線解法 133
6.2.2 隱格式差分法 134
6.3 氣體管道瞬變流的數值模擬 135
6.3.1 氣體在單個管道中的瞬變流 135
6.3.2 氣體在管網中的流動 136
6.4 液體垂直波動與氣體耦合的瞬變流 136
6.4.1 調壓室通氣洞繫統各邊界的首邊界方程 137
6.4.2 調壓室通氣洞繫統各邊界的末邊界方程 140
6.4.3 影響因素分析 141
6.5 明滿流尾水洞通氣繫統 147
6.5.1 數學模型 148
6.5.2 尾水洞通氣繫統作用機理分析 151
參考文獻 155
第7章 液柱分離及含氣型氣液兩相瞬變流 156
7.1 基本概念 156
7.1.1 含氣型氣液兩相流的基本概念 156
7.1.2 氣體釋放和液柱分離的物理過程 157
7.2 含氣型氣液兩相瞬變流的數學模型及求解 160
7.2.1 三方程數學模型 160
7.2.2 特征線法原理、特征方程 161
7.2.3 含氣型氣液兩相瞬變流波速公式的討論 163
7.2.4 數值解 165
7.3 激波波速及激波的數學處理 167
7.3.1 激波波速的計算公式 167
7.3.2 激波的數學處理 169
7.4 氣體釋放的計算公式 171
7.4.1 平行來流、氣泡中心作平移運動的瑞利方程 171
7.4.2 擴散方程和氣體釋放速率計算 171
7.5 含氣型空化與液柱分離 175
7.5.1 瑞利方程的數值分析與含氣型空化 175
7.5.2 含氣型空化的時間量級與篩核作用 177
7.5.3 液柱分離的充分條件及數學處理 179
參考文獻 184
第8章 明滿混合瞬變流與明滿交替流 185
8.1 基本概念 185
8.1.1 恆定流狀態下的基本特征 185
8.1.2 非恆定流狀態下的基本特征 187
8.2 激波擬合法 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 虛設狹縫法 190
8.3.1 傳統的虛設狹縫法 190
8.3.2 改進的虛設狹縫法——三區模型 193
8.4 基於水錘方程與淺水方程耦合的明滿流模擬 195
8.4.1 控制方程和求解方法 195
8.4.2 邊界條件 197
8.5 氣液兩相流數學模型 202
8.5.1 一維氣液兩相流的基本方程 202
8.5.2 基本方程的特征值——壓力波和界面波 203
8.5.3 數值計算與討論 207
8.5.4 泡狀流、塞狀流、分層流的方程封閉以及流態的轉捩 214
參考文獻 217
第9章 內流管道繫統的流固耦合 219
9.1 流固耦合的機理 219
9.1.1 泊松耦合 219
9.1.2 節點耦合 220
9.2 流固耦合的數學模型和分析方法 221
9.2.1 基本方程 221
9.2.2 分析方法 222
9.3 流固耦合的特征線法及邊界條件 223
9.3.1 特征線方程及差分形式 223
9.3.2 邊界條件 229
9.3.3 實例分析 238
9.4 流固耦合的模態分析法及邊界條件 241
9.4.1 模態方程 241
9.4.2 邊界條件 248
9.4.3 實例分析 253
參考文獻 257
第10章 瞬變過程的控制與繫統的優化設計 259
10.1 瞬變過程的目標控制 259
10.2 瞬變過程控制的理論依據與方法 260
10.2.1 減小水擊壓強的理論依據 260
10.2.2 降低水擊波的波速 261
10.2.3 降低瞬變過程中管道流速 264
10.2.4 縮短壓力管道長度 265
10.2.5 改變繫統的流體流動諧振頻率 265
10.3 閥門程控調節 266
10.3.1 無摩阻的閥門程控調節 267
10.3.2 限時程控調節 269
10.3.3 限壓程控調節 273
10.3.4 實驗驗證與工程應用 275
10.4 基於進化策略的水電站水力過渡過程的優化 277
10.4.1 優化計算的數學模型 277
10.4.2 進化策略的基本原理 279
10.4.3 工程實例分析 280
參考文獻 283
第11章 瞬變過程的反饋控制與運行的穩定性 284
11.1 瞬變過程反饋控制的基本概念 284
11.1.1 反饋控制的定義 284
11.1.2 反饋控制下流體輸送繫統的實例分析 285
11.1.3 反饋控制下流體輸送繫統瞬變過程的特點 291
11.1.4 反饋控制下流體輸送繫統調節品質的評價指標 292
11.2 瞬變過程反饋控制的數學模型 294
11.2.1 控制裝置的數學模型 294
11.2.2 流量調節的數學模型 296
11.2.3 反饋控制下流體輸送繫統的整體數學模型 297
11.3 瞬變過程反饋控制的實例分析 298
11.3.1 反饋控制下流體輸送繫統的穩定域 298
11.3.2 反饋控制下流體輸送繫統的時域分析 303
參考文獻 304
第12章 基於有限差分法與有限體積法耦合的瞬變流多維模擬 305
12.1 耦合模擬的必要性 305
12.2 一維FDM與一維FVM的耦合模型及運用 307
12.2.1 一維有壓管道水錘方程FDM求解方法 307
12.2.2 一維有壓管道水錘方程的FVM求解及其邊界條件 308
12.2.3 一維明渠淺水方程的FVM求解方法及其邊界條件 310
12.2.4 一維FDM與一維FVM耦合模型的工程應用 312
12.3 一維FDM與二維FVM的耦合模型及運用 314
12.3.1 二維淺水流動的控制方程及求解 314
12.3.2 一維FDM與二維FVM耦合模型的工程應用 316
12.4 一維FDM與三維FVM的耦合模型及運用 320
12.4.1 三

流體瞬變流是流體力學分支之一，在水資源配送、能源工業、運載工業、石化工業等領域有著廣泛的應用。為了滿足各領域越來越復雜的流體輸送繫統高效設計、安全運行、實時控制、精細化模擬的需要，本專著繫統地介紹了流體瞬變流基本理論、基本方法和新的研究進展。其中：1～5章分別講述流體瞬變流基本概念和基本方程、恆定流—法、非恆定流—廣義特征線法、動力裝置—廣義能量守恆、振蕩流—阻抗與狀態矩陣法；６～９章分別講述氣體瞬變流、液柱分離及含氣型氣液兩相瞬變流、明滿混合瞬變流、內流管道繫統流固耦合等工程應用；10～12章側重瞬變流控制、閉環繫統穩定性、瞬變流多維模擬等新的研究方向。

    第1章 流體瞬變流的基本概念和基本方程
    第1章 流體瞬變流的基本概念和基本方程
    1.1 流體瞬變流的基本概念
    流體是液體和氣體的總稱。液體可壓縮性小，可采用管道輸送，也可采用明渠輸送；而氣體可壓縮性大，隻能采用管道輸送。流體在輸送的過程中，由於輸送繫統的運行條件發生變化，包括正常的變化、偶然的事故以及外部的干擾，引起流經各斷面流體的流速、流量、壓強、壓力、水深等宏觀物理量發生變化，從某一定常狀態轉換成另一定常狀態，這種隨時間變化的過程稱為流體瞬變流[1，2]，也常稱為非恆定流。
    定常流或恆定流是相對於流體瞬變流而言的，即流經各斷面等