CN109933861B - 一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法，所述拟合公式基本形式和变量与规范中排泥管线泥浆阻力特性公式保持一致，且根据实际施工参数进行拟合计算，能较为准确地反应管路耗用泥浆水头情况，能有效避免规范中常规计算方法误差过大的问题。本发明克服了传统方法需对不同材质管路沿程阻力损失和管路附件局部阻力损失分别进行测量的缺点，具有快速、高效和可靠的特点，对大型挖泥船快速、合理确定泥浆输送施工参数具有积极的意义。

Description

一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法

技术领域

本发明涉及管道水力输送技术领域，特别涉及一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法。

背景技术

现有技术中，挖泥船排泥管线输送泥浆所需扬程需根据土质特性和现场管线铺设情况，采用规范中的不同材质管线阻力系数、局部阻力系数、相关经验系数和公式进行计算。这种计算方法精度差，计算结果与实际施工情况存在较大差异，且当施工土质、管线工况发生变化时难以迅速确定整条排泥管线所消耗扬程，影响船舶施工安全性和生产效率。

因此，为掌握排泥管线泥浆阻力特性，精确计算排泥管线输送泥浆所需扬程，提高当前疏浚吹填工程施工工艺水平和生产效率，需要有一种更准确的挖泥船排泥管泥浆阻力特性公式的拟合方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法用于解决现有技术中由于挖泥船排泥管线输送泥浆所需扬程需根据土质特性和现场管线铺设情况，采用规范中的不同材质管线阻力系数、局部阻力系数、相关经验系数和公式进行计算。这种计算方法精度差，计算结果与实际施工情况存在较大差异，且当施工土质、管线工况发生变化时难以迅速确定整条排泥管线所消耗扬程，影响船舶施工安全性和生产效率等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法，包括如下步骤：

S1：进行试挖，并记录试挖期间挖泥船的多组数据，所述多组数据包括泥浆的密度、流速以及最后一级泥泵扬程；

S2：根据规范中排泥管线泥浆阻力特性公式得到简化公式；

S3：根据最小二乘法，建立所述简化公式中系数的线性方程组，所述系数包括相关土质特性参数、管道沿程阻力系数、局部阻力系数以及实验室系数；

S4：利用克莱姆法则求解所述线性方程组以求出所述简化公式的系数，得到所述简化公式。

可选的，所述S1步骤具体包括：

进行试挖，并记录试挖期间挖泥船的泥浆的密度r_i、流速V_i以及最后一级泥泵扬程H_i，i为施工数据组编号。

可选的，所述S2步骤具体包括：

简化规范中排泥管线泥浆阻力特性公式，将土质特性参数、管道沿程阻力系数、局部阻力系数、实验室系数简化为a、b、c、d、e五个系数，保留泥浆密度r、流速V两个变量，得到简化公式。

可选的，所述简化公式为：H_m＝aV²+bV^-1+crV²+dr+e。

可选的，所述线性方程组为：

aΣV_i ⁴+bΣV_i+cΣr_iV_i ⁴+d∑r_iV_i ²+eΣV_i ²＝ΣH_iV_i ²

a∑V_i+b∑V_i ^-2+c∑r_iV_i+d∑r_iV_i ^-1+e∑V_i ^-1＝∑H_iV_i ^-1

a∑V_i ⁴r_i+b∑r_iV_i+c∑r_i ²V_i ⁴+d∑r_i ²V_i ²+e∑r_iV_i ²＝∑H_ir_iV_i ²

a∑r_iV_i ²+b∑r_iV_i ^-1+c∑r_i ²V_i ²+d∑r_i ²+e∑r_i＝∑H_ir_i

a∑V_i ²+b∑V_i ^-1+c∑r_iV_i ²+d∑r_i+e＝∑H_i

可选的，所述S3步骤还包括：

建立所述线性方程组的系数矩阵，

并令：

x₁₁＝ΣV_i ⁴,x₁₂＝ΣV_i,x₁₃＝Σr_iV_i ⁴,x₁₄＝∑r_iV_i ²,x₁₅＝ΣV_i ²,y₁＝ΣH_iV_i ²

x₂₁＝∑V_i,x₂₂＝∑V_i ^-2,x₂₃＝∑r_iV_i,x₂₄＝∑r_iV_i ^-1,x₂₅＝∑V_i ^-1,y₂＝∑H_iV_i ^-1

x₃₁＝∑V_i ⁴r_i,x₃₂＝∑r_iV_i,x₃₃＝∑r_i ²V_i ⁴,2x₃₄＝∑r_i ²V_i ²,x₃₅＝∑r_iV_i ²,y₃＝∑H_ir_iV_i ²

x₄₁＝∑r_iV_i ²,x₄₂＝∑r_iV_i ^-1,x₄₃＝∑r_i ²V_i ²,x₄₄＝∑r_i ²,x₄₅＝∑r_i,y₄＝∑H_ir_i

x₅₁＝∑V_i ²,x₅₂＝∑V_i ^-1,x₅₃＝∑r_iV_i ²,x₅₄＝∑r_i,x₅₅＝1,y₅＝∑H_i

将所述S1步骤中采集的施工数据带入上式，计算出x11、x12、x13、…、x55和y1、…、y5。

可选的，所述S4步骤具体包括：

利用克莱姆法则解所述线性方程组，令：

/>

求解行列式D、D1、D2、D3、D4、D5；

所述简化公式的系数a、b、c、d、e分别为：

a＝D1/D，b＝D2/D，c＝D3/D，d＝D4/D，e＝D5/D，根据计算出的系数得到所述简化公式。

本发明提供了一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法，所述拟合公式基本形式和变量与规范中排泥管线泥浆阻力特性公式保持一致，且根据实际施工参数进行拟合计算，能较为准确地反应管路耗用泥浆水头情况，能有效避免规范中常规计算方法误差过大的问题。本发明克服了传统方法需对不同材质管路沿程阻力损失和管路附件局部阻力损失分别进行测量的缺点，具有快速、高效和可靠的特点，对大型挖泥船快速、合理确定泥浆输送施工参数具有积极的意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本实施例提供一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法，包括如下步骤：

S1：进行试挖，并记录试挖期间挖泥船的多组数据，所述多组数据包括泥浆的密度、流速以及最后一级泥泵扬程；

S2：根据规范中排泥管线泥浆阻力特性公式得到简化公式；

S3：根据最小二乘法，建立所述简化公式中系数的线性方程组，所述系数包括相关土质特性参数、管道沿程阻力系数、局部阻力系数以及实验室系数；

S4：利用克莱姆法则求解所述线性方程组以求出所述简化公式的系数，得到所述简化公式。

需要注意的是，这里提到的规范是指疏浚工程技术规范JTJ319-99，所述的排泥管线泥浆阻力特性公式是指规范中的公式B.0.3-6管路总耗泥浆水头，本发明首先采集最后一级泥泵出口扬程、泥浆流速、浓度，建立实际施工数据组合；根据规范中排泥管线泥浆阻力特性公式，将相关土质特性参数、管道沿程阻力系数、局部阻力系数、实验室系数等定值简化为系数a、b、c、d、e，得到排泥管线泥浆阻力特性公式的简化公式。

然后根据最小二乘法原理，建立系数a、b、c、d、e的线性方程组，并代入实际施工数据，计算求得线性方程组的系数，同时建立线性方程组系数矩阵。最后采用克莱姆法则解线性方程组，求得排泥管线泥浆阻力特性公式的系数a、b、c、d、e，最终求得排泥管线泥浆阻力特性拟合计算公式。如图1所示，本实施例提供的方法具体步骤如下：

第一步：试挖期间同一时间记录泥浆密度r、流速V与最后一级泥泵出口扬程H，每组泥浆密度、流速、泥泵出口扬程编为一组数据，编号为i(i＝1,2,3，…)。

第二步：简化规范中排泥管线泥浆阻力特性公式，将土质特性参数、管道沿程阻力系数、局部阻力系数、实验室系数简化为a、b、c、d、e五个系数，保留泥浆密度r、流速V两个变量，简化后的公式形式与规范公式一致，如下所示。

H_m＝aV²+bV^-1+crV²+dr+e

第三步：以第二步中公式为基本形式，根据最小二乘法原理，建立系数a、b、c、d、e的线性方程组，如下所示。

式中：i为施工数据数组编号，Vi为泥浆实际流速，ri为泥浆实际密度，Hi为最后一级泥泵出口扬程。

第四步：建立第三步中线性方程组系数矩阵，

令：

x₁₁＝ΣV_i ⁴,x₁₂＝ΣV_i,x₁₃＝Σr_iV_i ⁴,x₁₄＝∑r_iV_i ²,x₁₅＝ΣV_i ²,y₁＝ΣH_iV_i ²

x₂₁＝∑V_i,x₂₂＝∑V_i ^-2,x₂₃＝∑r_iV_i,x₂₄＝∑r_iV_i ^-1,x₂₅＝∑V_i ^-1,y₂＝∑H_iV_i ^-1

x₃₁＝∑V_i ⁴r_i,x₃₂＝∑r_iV_i,x₃₃＝∑r_i2V_i ⁴,x₃₄＝∑r_i2V_i ²,x₃₅＝∑r_iV_i ²,y₃＝∑H_ir_iV_i ²

x₄₁＝∑r_iV_i ²,x₄₂＝∑r_iV_i ^-1,x₄₃＝∑r_i ²V_i ²,x₄₄＝∑r_i ²,x₄₅＝∑r_i,y₄＝∑H_ir_i

x₅₁＝∑V_i ²,x₅₂＝∑V_i ^-1,x₅₃＝∑r_iV_i ²,x₅₄＝∑r_i,x₅₅＝1,y₅＝∑H_i

将采集的i组实际施工数据代入上式中，分别计算x11、x12、x13、…、x55和y1、…、y5。

第五步：采用克莱姆法则解线性方程组，令：

/>

求行列式D、D1、D2、D3、D4、D5。

第六步：求排泥管线泥浆阻力特性公式系数a、b、c、d、e，

第七步：将计算所得系数a、b、c、d、e代入第二步中公式，得排泥管线泥浆阻力特性拟合计算公式。

综上所述，本发明提出一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法，所述拟合公式基本形式和变量与规范中排泥管线泥浆阻力特性公式保持一致，且根据实际施工参数进行拟合计算，能较为准确地反应管路耗用泥浆水头情况，能有效避免规范中常规计算方法误差过大的问题。本发明克服了传统方法需对不同材质管路沿程阻力损失和管路附件局部阻力损失分别进行测量的缺点，具有快速、高效和可靠的特点，对大型挖泥船快速、合理确定泥浆输送施工参数具有积极的意义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：进行试挖，并记录试挖期间挖泥船的多组数据，所述多组数据包括泥浆的密度、流速以及最后一级泥泵扬程；

S2：根据规范中排泥管线泥浆阻力特性公式得到简化公式；

S3：根据最小二乘法，建立所述简化公式中系数的线性方程组，所述系数包括相关土质特性参数、管道沿程阻力系数、局部阻力系数以及实验室系数；

S4：利用克莱姆法则求解所述线性方程组以求出所述简化公式的系数，得到所述简化公式；

所述S1步骤具体包括：

进行试挖，并记录试挖期间挖泥船的泥浆的密度r_i、流速V_i以及最后一级泥泵扬程H_i，i为施工数据组编号；

所述S2步骤具体包括：

简化规范中排泥管线泥浆阻力特性公式，将土质特性参数、管道沿程阻力系数、局部阻力系数、实验室系数简化为a、b、c、d、e五个系数，保留泥浆密度r、流速V两个变量，得到简化公式；

所述简化公式为：H_m＝aV²+bV^-1+crV²+dr+e；

所述线性方程组为：

aΣV_i ⁴+bΣV_i+cΣr_iV_i ⁴+d∑r_iV_i ²+eΣV_i ²＝ΣH_iV_i ²

a∑V_i+b∑V_i ^-2+c∑r_iV_i+d∑r_iV_i ^-1+e∑V_i ^-1＝∑H_iV_i ^-1

a∑V_i ⁴r_i+b∑r_iV_i+c∑r_i ²V_i ⁴+d∑r_i ²V_i ²+e∑r_iV_i ²＝∑H_ir_iV_i ²

a∑r_iV_i ²+b∑r_iV_i ^-1+c∑r_i ²V_i ²+d∑r_i ²+e∑r_i＝∑H_ir_i

a∑V_i ²+b∑V_i ^-1+c∑r_iV_i ²+d∑r_i+e＝∑H_i。

2.如权利要求1所述的一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法，其特征在于，所述S3步骤还包括：

建立所述线性方程组的系数矩阵，

并令：

x₁₂＝ΣV_i,/>

x₂₁＝∑V_i,

x₂₃＝∑r_iV_i,/>

x₃₂＝∑r_iV_i,/>

x₄₅＝∑r_i,y₄＝∑H_ir_i

x₅₄＝∑r_i,x₅₅＝1,y₅＝∑H_i

将所述S1步骤中采集的施工数据带入上式，计算出x11、x12、x13、…、x55和y1、…、y5。

3.如权利要求2所述的一种拟合挖泥船排泥管线泥浆阻力特性公式的方法，其特征在于，所述S4步骤具体包括：

利用克莱姆法则解所述线性方程组，令：

求解行列式D、D1、D2、D3、D4、D5；

所述简化公式的系数a、b、c、d、e分别为：

a＝D1/D，b＝D2/D，c＝D3/D，d＝D4/D，e＝D5/D，根据计算出的系数得到所述简化公式。

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