(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111304959.0 (22)申请日 2021.11.05 (71)申请人 中国科学院计算机网络信息中心 地址 100190 北京市海淀区中关村南四街 4 号 (72)发明人 石国赟　周园春　杜一　宫敬　 (74)专利代理 机构 北京君尚知识产权代理有限 公司 11200 代理人 李文涛 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 113/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种高效模拟大型天然气管网流动传热的 方法 (57)摘要 本发明公开一种高效模拟大型天然气管网 流动传热的方法， 涉及天然气管网数据模拟领 域， 本方法在使用SIMPLE算法来求解控制方程的 基础上， 结合离散矩阵的稀疏性与管网结构特 点， 利用循环三对角矩阵求解算法与开源向量 库， 构建了管网中管道节点分开模拟的方法， 从 而加快了计算速度。 本方法结合离散矩阵的稀 疏 性与管网结构特点， 利用循环 三对角矩阵求解算 法与开源向量库， 构建了管网中管道节点分开模 拟的方法， 从而加快了 计算速度。 权利要求书2页 说明书4页 附图4页 CN 113962131 A 2022.01.21 CN 113962131 A 1.一种高效模拟大 型天然气管网流动传热的方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 获取天然气管网的管网参数， 该管网参数包括时间、 管道轴向长度、 管道直径、 管道倾 角、 流入或流出 管道的流体质量源、 以及流体与环境之间的总换 热系数； 建立天然气管网的一维控制方程， 包括连续方程、 动量方程和能量方程， 并利用高斯定 理将控制方程 转换为积分形式； 根据管道的轴向长度， 通过构建主网格和交错网格对天然气管网的所有管道进行离 散； 对离散后的管道采用一阶迎风格式， 将积分形式的控制方程在每个网格上进行离散， 包括动量方程在交错网格上离 散， 连续方程和能量方程在主网格上离 散； 将所有网格上的离散的控制方程中的系数根据网格顺序排列， 得到一个类三对角的系 数矩阵； 将天然气管网中的所有管道所对应的系数矩阵进行分块， 每条管道所对应的系数矩阵 分为一个块； 按照块提取每条管道所对应的系数矩阵， 得到类循环三对角矩阵； 并基于该类循环三 对角矩阵进行 快速求解， 得到管道的两个端点和内部点的函数变化 解； 利用函数变化解删除分块的系数矩阵中所有普通三对角矩阵元素， 得到不规则稀疏矩 阵； 并采用稳定双共 轭梯度法来 求解该不规则稀疏矩阵， 得到每条 管道的端点 值； 将每条管道 的端点值代入到所述函数变化解中， 得到每条管道的内部点值， 由每条管 道的端点 值和内部点 值构成天然气管网的解， 实现对天然气管网流动传热模拟。 2.如权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 连续方程 为： 动量方程 为： 能量方程 为： 其中， t表示时间， x表示管道轴向长度， ρ 表示流体密度， u表示流体速度， 表示流入或 流出管道的流体质量源， p表示流体压力， g表示重力加 速度， θ表示管道倾角， λ表示流体与 管道之间的摩阻系数， D表示管道直径， E表示流体内能， H表示流体焓， k表示流体与环境之 间的总换 热系数， Te表示环境温度， T表示 流体温度， A 表示管道横截面积。 3.如权利要求2所述的方法， 其特征在于， 利用如下柯列勃洛克公式计算流体与管道之 间的摩阻系数 λ： 其中， Ke为管道绝对粗 糙度， Re为雷诺数。 4.如权利要求3所述的方法， 其特征在于， 基于向量化函数库， 迭代计算流体与管道之 间的摩阻系数 λ。 5.如权利要求2所述的方法， 其特 征在于， 积分形式的控制方程 为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 113962131 A 2其中， V表示管道体积， A 表示管道横截面积。 6.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 利用SIMPLE算法， 通过时间推进方法求解管 网中流体速度、 流体压力、 流体速度、 流体内能、 流体焓以及流体温度参数随时间的变化数 据。 7.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 构建主网格和 交错网格的方法为： 从每条管 道的起点开始， 以一预设长度为单位对整 条管道进 行划分， 则划分出来的网格即为主网格； 以两个相邻的主网格的中点 为两边界， 将该两边界内的区域作为 一个交错网格。 8.如权利要求7 所述的方法， 其特 征在于， 预设长度为10 0～1000m。 9.如权利要求1或8所述的方法， 其特征在于， 当在管道交汇处构建主网格和 交错网格 时， 主网格设置在管道交汇处， 交错网格设置在管道内部并与主网格错 开半个网格。 10.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 求取管道的两个端点和内部点的函数变化 解的方法为： 对于某条管道的函数变化解[x1,x2,…,xn‑1,xn]， 其中x1、 xn为两个端点的函数 变化解， 通过对类循环三对角矩阵求解， 得到内部点的函数变化解即： x2＝s2+a2x1+b2xn,…, xn‑1＝sn‑1+an‑1x1+bn‑1xn， 其中s表示x1＝0， xn＝0的解， a表示x1＝1， xn＝0的解， b表示x1＝0， xn ＝1的解。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 113962131 A 3