本發明涉及水利工程領域，特別是一種輸水閥門的優化方法及系統。

背景技術：

1、輸水閥門廣泛應用于水利工程、城市供水和工業水系統中，其主要功能是在水流通過時進行調節、控制和關閉。然而，隨著輸水系統的規模日益增大和復雜化，閥門的設計和運行面臨諸多技術挑戰；

2、目前在內河ⅰ級的運河中，由于運河的流道長度較長，輸水閥門的規模較大，所承受的水流荷載也隨之增大。尤其在閥門充、泄水過程中，水流的慣性作用顯著，輸水閥門會受到復雜的水動力荷載，這給閥門的安全運行帶來了極大的挑戰。輸水閥門在啟閉過程中，不僅要承受水流的壓力，還要應對動水沖擊和脈動壓力的影響，這些作用力會造成閥門的振動、磨損甚至失效，嚴重威脅閥門的使用壽命和輸水系統的穩定性。

3、在充、泄水過程中，水流的動水沖擊尤為顯著。當閥門快速開啟或關閉時，水流突然加速或減速，會產生較大的壓力波動和流速變化。這些不穩定的流動現象會導致壓力脈動加劇，使閥門廊道段、門槽和門井內的壓力快速變化，對閥門結構產生較大的沖擊。此外，水流的慣性效應也會加劇這些現象，特別是在大規模閥門系統中，流體慣性帶來的負面效應更加明顯，極易引發閥門的疲勞損壞。

4、現有的輸水閥門在進行研究時大多只基于水力學的穩態分析進行考慮，即在流體穩態流道條件下，利用水力學模型來分析流體通過閥門時的壓力分布情況、流速情況以及流量情況，但是現有輸水閥門的研究只對水力學進行分析，因此，現有的分析手段在應對閥門啟閉時復雜的水動力現象方面存在不足，使得閥門在實際運行中容易出現設計缺陷，導致振動、磨損，最終使得閥門失效。

技術實現思路

1、本發明的目的在于克服現有技術中所存在的現有輸水閥門的研究，僅僅針對水力學進行研究，無法克服輸水閥門實際運行時由于閥門啟閉帶來的磨損的問題，提供一種輸水閥門的優化方法及系統。

2、在第一方面，本發明為一種輸水閥門的優化方法，其特征在于，方法包括：依據現場信息構建輸水閥門模型，其中，現場信息包括輸水閥門所處船閘的尺寸信息、輸水閥門工作地點的水流信息以及輸水閥門工作地點的水位信息；

3、在輸水閥門模型充、泄水工況中，對輸水閥門水力學、閥門水動力學進行觀測，其中，所述輸水閥門水力學包括閥門廊道段壓力特性觀測、閥門門槽壓力特性觀測和閥門門井壓力特性觀測，所述閥門水動力學包括閥門水動力荷載系數確定、閥門動水作用力觀測以及閥門啟閉力觀測和閥門啟閉速率觀測；

4、獲得輸水閥門運行過程中水力參數的變化特性；

5、基于輸水閥門運行過程中水力參數的變化特性，對輸水閥門進行優化。

6、本發明為一種輸水閥門的優化方法，該優化方法率先構建了輸水閥門的模型，再通過輸水閥門模型來模擬充、泄水工況，隨后對輸水閥門在充、泄水工況下的輸水閥門水力學、閥門水動力學進行觀測，通過該方法不僅考慮了輸水閥門在穩態流動條件下的水力學特性，還對閥門在啟閉過程中產生的動態水動力特性進行了觀測。通過結合水力學和水動力學分析，能夠全面獲取閥門在不同工況下的壓力分布、流速變化以及動水作用力信息，從而更精確地掌握閥門在實際運行中的工作狀態；在充水和泄水等復雜工況下，通過該方法能夠觀測閥門啟閉過程中水動力特性，同時有助于識別和預防運行中的不穩定現象，避免因水流慣性或動水作用力過大而導致的振動、磨損或結構失效；通過對輸水閥門水力學進行觀測以及閥門水動力學觀測能夠得出在不同工況下的水力參數變化情況，如此一來能夠為閥門的結構設計提供準確的依據，保證閥門在長時間的運行狀況下的穩定性，提高了輸水閥門的運行效率同時減少了后期的維修成本；此外，通過本方法能夠保證輸水閥門在水動力荷載復雜的運河(內河ⅰ級)中穩定的工作；通過對閥門廊道段壓力特性進行觀測能夠幫助研究人員有效的理解水流通過廊道段時的壓力分布特性，為優化閥門的結構設計提供基礎數據，防止局部壓力過大引發結構失效；通過對閥門門槽壓力特性的觀測，能夠幫助研究人員有效的了解輸水閥門門槽的壓力分布情況，從而對門槽進行優化；通過對閥門門井壓力特性進行觀測，能夠清楚的了解輸水閥門在啟閉過程中門井的壓力變化，以及在啟閉瞬間受到的壓力沖擊，如此一來能夠對閥門門井進行優化，防止閥門門井在實際使用過程中受到大壓力導致失效；通過對閥門水動力荷載系數的確定，能夠準確掌握閥門在不同工況下所受的水動力荷載。這有助于優化閥門的結構設計，使其能夠在復雜的水動力條件下有效承載荷載，降低安全隱患；通過對閥門動水作用力進行觀測，能夠幫助研究人員了解水流對輸水閥門的動水作用力，通過分析動水作用力的變化能夠幫助后期閥門修建時減少因動水沖擊引發的振動、結構疲勞或磨損，提升閥門的耐用性和使用壽命；通過對閥門啟閉力進行觀測，能夠幫助研究人員對輸水閥門進行優化，保證輸水閥門的平穩；通過對閥門啟閉速率進行觀測，能夠防止因啟閉過快或過慢導致的壓力波動或水錘現象。通過合理設置啟閉速率，能夠確保閥門在各種工況下安全、平穩地操作，減少對系統的沖擊和損害。

7、作為本發明的優選方案，所述閥門廊道段壓力特性觀測步驟包括：

8、s1、獲得在不同閥門開度下的閥門廊道段頂部、底部的壓力信息；

9、s2、針對閥門廊道段頂部、底部的壓力信息進行分析，獲得閥門廊道段壓力總體變化規律；

10、s3、針對閥門廊道段頂部、底部的壓力信息進行時均值計算，獲得閥門廊道段的時均壓力信息；

11、s4、基于閥門廊道段的時均壓力信息，獲得在不同閥門開度下，閥門廊道段的時均壓力分布特性；

12、s5、針對閥門廊道段的壓力脈動數據進行統計分析，評估閥門廊道段的動態響應特性，獲得閥門廊道段的壓力脈動分布特性；

13、s6、基于閥門廊道段壓力總體變化規律、閥門廊道段的時均壓力分布特性以及閥門廊道段的壓力脈動分布特性，生成門廊道段壓力特性報告；

14、s7、基于門廊道段壓力特性報告對門廊道段壓力特性進行觀測。

15、通過動態調節閥門開度，并對各個閥門開度下的閥門廊道段壓力進行觀測，這使得研究人員能夠根據各個開度下實時的壓力變化來對輸水閥門進行優化，再通過對各個開度下實時的壓力變化進行分析，能夠為輸水閥門的優化提高精確的數據支撐，從而幫助后續輸水閥門的修建提供理論依據；該觀測方法提供了完整的壓力特性數據，使設計人員能夠基于科學數據對閥門及相關系統進行優化，確保閥門在復雜工況下安全、穩定運行。精準的壓力監控能夠避免壓力過載，降低設備磨損和疲勞損壞的風險，從而大幅提升系統的整體運行可靠性。

16、作為本發明的優選方案，所述閥門廊道段時均壓力分布特性觀測方法為：s21、采集在不同閥門開度下，閥門廊道段頂部、底部的壓力信息；

17、s22、針對閥門廊道段頂部、底部的壓力信息進行處理，獲得閥門廊道段的時均壓力信息；

18、s23、采用空間插值方法對閥門廊道段的時均壓力信息進行處理，獲得閥門廊道段時間壓力分布報告；

19、s24、基于閥門廊道段時間壓力分布報告，獲得閥門廊道段的時均壓力分布特性。

20、通過獲取閥門廊道段各個位置的壓力數據，再對該數據在指定開度下進行計算，并對計算結果進行分析，使得研究人員能夠清楚直觀的了解閥門廊道段的時均壓力，為后續輸水閥門的施工提供了數據支撐。

21、作為本發明的優選方案，所述閥門廊道段的時均壓力分布特性包括壓力高值區和低值區以及時均壓力與閥門開度對應關系。

22、作為本發明的優選方案，所述閥門廊道段壓力脈動分布特性觀測方法為：s31、采集不同閥門開度與不同流速下，閥門廊道段頂部、底部的壓力信息；

23、s32、針對閥門廊道段頂部、底部的壓力信息進行信號處理，獲得閥門廊道段壓力脈動信息；

24、s33、采用空間插值方法對閥門廊道段壓力脈動信息進行處理，獲得閥門廊道段的壓力脈動分布報告；

25、s34、基于閥門廊道段的壓力脈動分布報告，獲得閥門廊道段的壓力脈動分布特性。

26、通過獲得閥門啟閉過程中，閥門廊道段的各個位置的壓力脈動信號，并對該各個位置的閥門廊道段壓力脈動信號進行記錄，有助于研究人員全面了解水流在輸水閥門啟閉過程中對閥門結果的瞬態沖擊，從而對輸水閥門進行優化，防止輸水閥門長期受到水流的瞬態沖擊造成的疲勞損失；同時，通過對閥門廊道段壓力脈動分布特性進行觀測，能幫助設計人員識別并解決產生壓力波動的根源，減少振動和噪音的發生，從而提高整個輸水閥門的運行穩定性。

27、作為本發明的優選方案，所述閥門廊道段的壓力脈動分布特性包括高脈動區域識別、低脈動區域識別以及閥門開度與壓力脈動的對應關系。

28、作為本發明的優選方案，所述閥門門槽壓力特性觀測方法為：

29、獲取不同閥門開度情況下，閥門門槽的壓力值以及對應的門井水位；

30、基于不同閥門開度情況下閥門門槽的壓力值，獲得閥門門槽壓力值隨開度變化的關系曲線；

31、針對閥門門槽壓力值隨開度變化的關系曲線進行分析，獲得閥門門槽壓力特性。作為本發明的優選方案，所述閥門門井壓力特性觀測方法為：

32、基于輸水閥門啟閉動作，獲得閥門門井內壓力變化值；

33、針對閥門門井內壓力變化值進行處理，獲得閥門門井內時均壓力值以及脈動壓力值；

34、依據閥門門井內時均壓力值以及脈動壓力值，獲得閥門門井內壓力變化趨勢信息；

35、基于閥門門井內壓力變化趨勢信息對閥門門井壓力特征進行觀測。

36、作為本發明的優選方案，方法還包括觀測閥門開啟速率對廊道壓力特性的影響，具體方法為：

37、基于不同的閥門開啟速率，對輸水閥門模型進行充、泄水試驗，獲得不同閥門開啟速率下的閥門廊道段壓力值；

38、針對不同閥門開啟速率下的閥門廊道段壓力值進行分析，獲得閥門廊道段壓力值與閥門開啟速率之間的關系；

39、基于閥門廊道段壓力值與閥門開啟速率之間的關系，觀測閥門開啟速率對廊道壓力特性的影響。

40、作為本發明的優選方案，方法還包括觀測閥門工作水頭對廊道壓力特性的影響，具體方法為：

41、根據預設工況對輸水船閥模型進行試驗，其中，預設工況包括最大設計水頭工況和最低通航水位工況；

42、獲得不同水頭條件下的閥門廊道段壓力值；

43、針對不同水頭條件下的閥門廊道段壓力值進行分析，獲得閥門廊道段壓力值與工作水頭之間的關系；

44、基于閥門廊道段壓力值與工作水頭之間的關系，觀測閥門工作水頭對廊道壓力特性的影響。

45、作為本發明的優選方案，所述閥門水動力荷載系數確定步驟包括：

46、第一步：獲得輸水閥門水動力數值信息；

47、第二步：基于輸水閥門水動力數值信息，構建水動力模型；

48、第三步：依據水動力模型生成該工況下的水動力荷載系數確定方案；

49、第四步：重復上述三個步驟，獲得輸水閥門各個開度情況下的水動力荷載系數確定方案；

50、第五步：分析輸水閥門各個開度情況下的水動力荷載系數確定方案，確定優選方案；

51、第六步：依據優選方案確定所述閥門水動力荷載系數。

52、作為本發明的優選方案，所述閥門動水作用力觀測方法為：

53、獲得輸水閥門上啟閉過程中的受力信息，其中受力信息包括豎直方向動水作用力信息與摩阻力信息；

54、根據設計規范對摩阻力信息進行計算，獲得輸水閥門水平方向的動水作用力信息；

55、基于輸水閥門水平方向的動水作用力信息，構建閥門動水作用力模型；

56、根據閥門動水作用力模型，生成若干個閥門動水作用力變化曲線；

57、基于閥門動水作用力變化曲線對所述閥門動水作用力進行觀測。

58、作為本發明的優選方案，所述閥門啟閉速率觀測的方法為：

59、預設啟、閉門速度條件；

60、檢測在預設啟、閉門速度條件下，所述輸水閥門的動水作用力的變化曲線；針對閥門動水作用力的變化曲線進行分析，獲得閥門動水作用力的變化規律；依據閥門動水作用力的變化規律對閥門啟閉速率進行觀測。

61、在第二方面，本發明提供了一種輸水閥門的研究系統，用于實現上述的一種輸水閥門的優化方法，還包括數據處理裝置、控制裝置、脈動壓力傳感器、拉壓傳感器以及位移傳感器；

62、脈動壓力傳感器：用于采集閥門廊道段內各個位置的壓力；

63、拉壓傳感器：用于采集閥門啟閉過程的壓力；

64、位移傳感器：用于采集閥門啟閉速率；

65、數據處理裝置：用于獲得所述脈動壓力傳感器、所述拉壓傳感器以及所述位移傳感器所采集的信息；

66、控制裝置：用于控制閥門開度。

67、本發明為一種輸水閥門的研究系統，通過脈動壓力傳感器、拉壓傳感器和位移傳感器，實現了系統對閥門廊道段壓力、啟閉過程中的作用力以及啟閉速率進行實時監測，確保能夠全面掌握閥門在不同工況下的運行狀態。這種實時監測大大提高了數據的準確性和及時性，避免了傳統方法中因數據滯后或缺乏動態觀測造成的設計和運行缺陷。

68、綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是：

69、1、本發明為一種輸水閥門的優化方法，該優化方法率先構建了輸水閥門的模型，再通過輸水閥門模型來模擬充、泄水工況，隨后對輸水閥門在充、泄水工況下的輸水閥門水力學、閥門水動力學進行觀測，通過該方法不僅考慮了輸水閥門在穩態流動條件下的水力學特性，還對閥門在啟閉過程中產生的動態水動力特性進行了觀測。通過結合水力學和水動力學分析，能夠全面獲取閥門在不同工況下的壓力分布、流速變化以及動水作用力信息，從而更精確地掌握閥門在實際運行中的工作狀態；在充水和泄水等復雜工況下，通過該方法能夠觀測閥門啟閉過程中水動力特性，同時有助于識別和預防運行中的不穩定現象，避免因水流慣性或動水作用力過大而導致的振動、磨損或結構失效；通過對輸水閥門水力學進行觀測以及閥門水動力學觀測能夠得出在不同工況下的水力參數變化情況，如此一來能夠為閥門的結構設計提供準確的依據，保證閥門在長時間的運行狀況下的穩定性，提高了輸水閥門的運行效率同時減少了后期的維修成本；此外，通過本方法能夠保證輸水閥門在水動力荷載復雜的運河(內河ⅰ級)中穩定的工作；通過對閥門廊道段壓力特性進行觀測能夠幫助研究人員有效的理解水流通過廊道段時的壓力分布特性，為優化閥門的結構設計提供基礎數據，防止局部壓力過大引發結構失效；通過對閥門門槽壓力特性的觀測，能夠幫助研究人員有效的了解輸水閥門門槽的壓力分布情況，從而對門槽進行優化；通過對閥門門井壓力特性進行觀測，能夠清楚的了解輸水閥門在啟閉過程中門井的壓力變化，以及在啟閉瞬間受到的壓力沖擊，如此一來能夠對閥門門井進行優化，防止閥門門井在實際使用過程中受到大壓力導致失效；通過對閥門水動力荷載系數的確定，能夠準確掌握閥門在不同工況下所受的水動力荷載。這有助于優化閥門的結構設計，使其能夠在復雜的水動力條件下有效承載荷載，降低安全隱患；通過對閥門動水作用力進行觀測，能夠幫助研究人員了解水流對輸水閥門的動水作用力，通過分析動水作用力的變化能夠幫助后期閥門修建時減少因動水沖擊引發的振動、結構疲勞或磨損，提升閥門的耐用性和使用壽命；通過對閥門啟閉力進行觀測，能夠幫助研究人員對輸水閥門進行優化，保證輸水閥門的平穩；通過對閥門啟閉速率進行觀測，能夠防止因啟閉過快或過慢導致的壓力波動或水錘現象。通過合理設置啟閉速率，能夠確保閥門在各種工況下安全、平穩地操作，減少對系統的沖擊和損害。

70、2、本發明為一種輸水閥門的研究系統，通過脈動壓力傳感器、拉壓傳感器和位移傳感器，實現了系統對閥門廊道段壓力、啟閉過程中的作用力以及啟閉速率進行實時監測，確保能夠全面掌握閥門在不同工況下的運行狀態。這種實時監測大大提高了數據的準確性和及時性，避免了傳統方法中因數據滯后或缺乏動態觀測造成的設計和運行缺陷。