Использование вычислительных машин (компьютеров) для расчета систем подачи и распределения воды

Выполнение расчета систем подачи и распределения воды требует проведения, как было показано, весьма большой вычислительной работы. В ряде случаев для нахождения оптимального решенчя задачи необходимо неоднократно повторять громоздкие операции расчета. Проведение подобной работы обычным «ручным» способом (без применения вычислительных машин) требует огромной затраты труда и времени. Расчет систем водоснабжения в требуемом объеме становится практически осуществимым при использовании вычислительной техники. В настоящее время в отечественной и зарубежной практике вычислительные машины все в большей мере привлекаются для проведения этих расчетов.

Используются  вычислительные  устройства   двух   основных   типов: специализированные  аналоговые  машины   (или  устройства)   и  универсальные электронные цифровые вычислительные машины — ЭЦВМ (машины дискретного действия).

Аналоговые машины (или устройства) основаны на использовании аналогии исследуемого процесса с другим процессом, для которого проще осуществить установку, имитирующую исследуемую систему. На этой установке, представляющей собой своеобразную модель, можно легко имитировать процессы, протекающие в исследуемой (рассчитываемой) системе, и замерять их основные параметры.

В области решения гидравлических задач наибольшее распространение получили аналоговые машины, основанные на аналогии движения воды и электрического тока.

Подобные аналоговые устройства представляют собой электромодель, и самый метод расчета получил название «электромоделирования».

Принцип электрогидродинамической аналогии (ЭГДА) был предложен акад. Н. Н. Павловским и успешно применен для исследования законов и путей фильтрации воды под основаниями гидротехнических сооружений.

Одна из первых попыток использования аналогового устройства для анализа и расчета водопроводных сетей осуществлена профессорами Массачусетского университета Кэмпом и Хезеном в середине 30-х годов. В этой установке регулирование электрических сопротивлений производилось вручную, на что затрачивалось много времени. Авторы использовали свою электромодель для внутренней увязки кольцевой сети.

В строгом смысле слова аналоговые устройства не являются моделью, как это понимается в теории моделирования.

В СССР исследования по электромоделированию расчета водопроводных сетей были начаты в 1936 г. в институте ВОДГЕО, где были разработаны и испробованы несколько вариантов принципа действия и конструкций аналоговой установки. После войны, в конце 40-х годов, эти работы привели к созданию аналоговой машины с использованием автоматических сопротивлений.

В настоящее время специализированные аналоговые устройства различных типов широко используются для проведения всех необходимых расчетов при проектировании систем подачи и распределения воды.

Для воспроизведения процесса, происходящего в системе водоснабжения, на ее электрической модели необходимо прежде всего, чтобы элементы модели имели электрические характеристики, аналогичные гидравлическим характеристикам элементов системы. Такими элементами являются участки сети (трубопроводы), водопитатели (насосы и резервуары), а также фиксированные и нефиксированные отборы воды из сети.

Сила тока / и падение потенциала AU в электрической модели аналогичны соответственно расходу воды Q и потерям напора h.

Одним из ос ювных затруднений при электромоделировании гидравлических систем является то, что падение потенциала и сила тока в электрических проводниках связано линейной зависимостью, тогда как потери напора в линиях водопроводной сети связаны с расходом нелинейно.

При режимах движения, практически используемых в водопроводных сетях, показатель р имеет величину, изменяющуюся в пределах от 1,85 до 2.

Электрические сопротивления, автоматически изменяющиеся в определенной зависимости от силы проходящего через них тока, могут быть сконструированы различным образом. В машине ВНИИ ВОДГЕО использованы нелинейные электромеханические автоматы. В американской машине (Мак-Илроя) применяются специальные лампы накаливания, обеспечивающие требуемую зависимость AU от /. В аналоговом устройстве Академии коммунального хозяйства и в английской машине «Ванда» для тех же целей используется метод «линейно-кусочной аппроксимации», при котором кривая, выражающая зависимость AU от /, заменяется ломаной линией; на отдельных ее участках (для элементов системы) AU=sI при различных значениях s.

Фиксированные отборы воды из водопроводной сети отображаются на электрической модели отборами тока постоянной силы, не зависящими от изменения напряжения в сети. Такая стабилизация отборов тока модели осуществляется ламповыми или полупроводниковыми стабилизаторами тока, устанавливаемыми в соответствующих узлах (точках) модели.

Аналоговое устройство должно содержать такой набор аналогов водопроводных линий, который позволяет составлять схему сети для всех практически используемых стандартных диаметров и настраиваться на любую заданную длину.

Электрическая схема, набираемая из аналогов отдельных линий, лолжна быть геометрически подобна изображаемой водопроводной сети.

Простейшей задачей, решаемой на электромодели, является нахождение распределения расходов воды по сети с заданными сопротивлениями участков, заданными отборами в узлах и водопитателем с постоянным напором. Таким водопитателем в системе водоснабжения является напорный резервуар с постоянным уровнем. Его аналогом в электрической модели может служить источник постоянного тока с неизменным напряжением. Схема такой водопроводной сети приведена на III.22, а схема ее электрической модели — на III.23 (здесь R2-h — аналоги сопротивлений участков и гг — стабилизаторы отбора тока в узлах).

Очевидно, что для обеих представленных схем соблюдается полная аналогия в описании законов увязки сети, т.е. первого и второго законов Кирхгофа. Для электрической модели мы имеем 2Д£/=0 для каждого кольца сети и 2£+/ = 0 для каждого узла сети, где i — сила тока в отдельных участках сети, примыкающих к узлу, и / — сила тока, отбираемого в узле.

После подключения к сети источника питания значения силы тока и падения потенциала на отдельных участках и моделируемые ими значения расходов и потерь напора могут быть получены непосредственно по показаниям электрических измерительных приборов (миллиамперметров и вольтметров).

На аналоговых машинах могут решаться и значительно более сложные задачи по расчету систем подачи и распределения воды с учетом совместной работы сетей, водопитателей (любого типа) и нефиксированных отборов.

Электронные цифровые вычислительные машины получили весьма широкое применение; они являются универсальными вычислительными машинами, которые могут выполнять громадное количество элементарных операций в единицу времени и решать таким образом различные задачи.

Основными характеристиками различных ЭЦВМ являются их «быстродействие», т. е. количество операций, которые они могут выполнять Б единицу времени, и объем их памяти (запоминающего устройства),т. е. объем (количество) численных данных информации, которые каждая машина может принять одновременно. Современные машины могут выполнять десятки и сотни тысяч операций в секунду.

ЭЦВМ уже широко применяют для проведения расчетов систем подачи и распределения воды. На них можно решать все те же задачи, что и на аналоговых машинах.

Для возможности использования   ЭЦВМ   необходимо   составление программ для каждого типа задач. Программа представляет собой перечень операций и команд, определяющих последовательность проведения этих операций машиной. Программа в специально закодированном виде должна быть введена в память машины. Кроме того, машине должна быть передана  (также специально закодированная)   вся требуемая информация о рассчитываемой системе. Одна и та же программа может быть использована для решения однотипных задач при различных численных исходных данных и разных характеристиках отдельных элементов системы.

В настоящее время разработаны и используются программы для проведения всех основных видов расчета систем подачи и распределения воды, как поверочных, так и технико-экономических.

Использование различных счетно-решающих устройств для. расчета водопроводных систем является исключительно перспективным.

Быстро выполняя громадную работу по проведению чисто вычислительных операций, машина экономит время проектировщика и позволяет ему сосредоточить свои силы и внимание на творческих задачах проектирования, выборе наиболее современных технических и наиболее экономичных решений.