La historia de Análisis de Redes de Distribución de Agua: La era de la informática

La historia de Análisis de Redes de Distribución de Agua: La era de la informática 

 Lindell E. Ormsbee

 Director, Instituto de Investigación del Agua de Kentucky Recursos,

 Universidad de Kentucky, 40506-0107

 lormsbee@engr.uky.edu

 Resumen 

 Cálculo de los flujos y presiones en las redes de tuberías ha sido de gran valor e interés para aquellos que participan en el diseño, construcción y mantenimiento de sistemas públicos de distribución de agua. 

 Muchos métodos se han utilizado en el pasado para calcular los flujos en redes de tuberías.  Tales métodos gama a partir de métodos gráficos para el uso de analogías físicas y, finalmente, el uso de matemáticas modelos.  Este trabajo tratará de catalogar y revisar los métodos que se han desarrollado y  aplicado desde los albores de la era del ordenador "en 1957, cuando el original método de Hardy Cross fue  primera solución adaptada para usar una computadora en el análisis del sistema de distribución de agua de la ciudad de  Palo Alto, California.  métodos posteriores han incluido la simultánea nodo ": método, el  "Bucle simultáneo», la simultánea pipe "método", y la simultánea "red"  método  Una breve revisión del marco teórico de cada método se presentará junto con una  crítica de las ventajas relativas y / o limitaciones de cada método.  Con la llegada de modelos informáticos de los sistemas de distribución de agua, ahora se ha llegado a ser posible  analizar los componentes de red más complejas (por ejemplo, bombas, tanques, PRV, etc) de la distribución del agua  sistema, así como para investigar los complejos problemas más relacionados con su diseño y funcionamiento. 

 Estas aplicaciones adicionales han incluido 1) ampliar las simulaciones período, 2) análisis transitorio, 3)  análisis de la calidad del agua, 4) calibración del modelo y el diseño óptimo, 5) Operaciones óptima, 6) óptima  planes de muestreo, etc La utilidad y la viabilidad de estos nuevos tipos de aplicaciones se pueden  demostrado ser en gran medida depende de los métodos de simulación subyacente que fueron los primeros  principio desarrollado en la década de 1960. 

 Palabras claves 

 Modelos de distribución de agua, historia, algoritmos matemáticos

 1.  INTRODCTION 

 Cálculo de los flujos y presiones en la red de tuberías ha sido de gran valor e interés para los  involucrados con el diseño, construcción y mantenimiento de sistemas públicos de distribución de agua.  En una reciente  artículo, Jesperson (2001) ofrece una breve reseña histórica de los sistemas públicos de agua.  De acuerdo con  Jesperson, la idea de los sistemas de suministro de agua se remonta a tan temprano como 700 a. C., cuando  "Qanat" (colina ligeramente inclinados túneles) que traía agua a Persia fueron construidos. Romanos comenzaron  la construcción de acueductos a partir de 312 antes de Cristo.  Descubierto recientemente la recolección de agua-sistemas de la primavera en Machu  Pichu en Perú arrojar luz sobre la elaboración de diseños de ingeniería de la antigua sistemas de abastecimiento de agua.  El  Machu Pichu sistemas de abastecimiento de agua para tomar el sol fechas 1450AD.  El sistema público de agua en la primera  Estados Unidos se remonta a 1652 dC cuando la ciudad de Boston ha expuesto su obra formada para el agua  proporcionan agua para la lucha contra el fuego y doméstico.  Desde entonces, muchos sistemas públicos de suministro de agua vino  a la existencia.  En anteriores períodos de canales fueron hechas de piedra cortada, ladrillos o escombros.  Pipes sehechos principalmente de perforar la piedra, madera, arcilla y plomo.  En 18  º  siglo, tubos de hierro fundido sustituyó a la  pipas de madera.  Los 19  º  siglo se produjo una mejora significativa en la toma de las juntas de tuberías que  resistió las altas presiones.  Agua tuberías de suministro de acero, hierro dúctil-, asbesto cemento y  hormigón armado entró en el uso cada vez mayor durante los primeros 20  º  siglo.  El aumento de la complejidad  asociados a los sistemas de distribución necesaria estimación precisa de los flujos y presiones en diferentes  partes del sistema de distribución.  Solución de la tubería de flujo de problemas individuales ya no era suficiente.  Búsqueda  para los métodos que analizan (para resolver los flujos y presiones) de agua de la red de distribución en toda dio a luz  con el tema "Distribución de análisis de redes de agua" o "análisis de redes de tuberías".

2.  RED DE MÉTODOS DE ANÁLISIS 

 Muchos métodos se han utilizado en el pasado para calcular los flujos en la red de tuberías.  Tales métodos gama  a partir de métodos gráficos para el uso de analogías físicas y, finalmente, el uso de matemáticas  modelos.  Este documento se examinarán los métodos de análisis de redes que se han desarrollado y / o  implementado en el equipo durante los últimos cincuenta años.  Un resumen de algunas de las más importantes  métodos incluyen:

 •  Método de Hardy Cross (s)

 •  El método Nodo simultánea

 •  El método de lazo simultánea

 •  El método lineal (método de tubos simultánea)

 •  El método del gradiente (Network Método simultánea)

 La idoneidad, fiabilidad, eficiencia computacional y la exactitud de cada uno de los métodos anteriores ha  ha documentado en el pasado y en la literatura.  Los más recientes métodos informáticos como  el método nodo simultánea, Método del lazo simultánea, el método lineal, y la pendiente  método de matriz de todo el uso formulaciones del problema de red con el fin de aprovechar al máximo poder de las computadoras de hoy en día.  La historia de los modelos basados en computadora para su uso en análisis de redes  básicamente se pueden dividir en tres períodos: 1) El equipo período pre-, 2) El amanecer de los  Informática Edad, y 3) La edad de los métodos avanzados.  Cada uno de estos períodos es una breve reseña de  las secciones siguientes.

 2.1 La era de la informática Pre 

 En 1936, Hardy Cross, profesor de ingeniería estructural en la Universidad de Illinois en Urbana  Champaign, desarrolló un método matemático para realizar análisis de distribución momento de  estructuras estáticamente determinadas.  Cruz se da cuenta de que el método desarrollado también podría  utilizarse para resolver de presiones o flujos de agua en circuito cerrado y sistemas de distribución de una publicación  documento sobre la aplicación del método para tal fin.

 En ese documento, en realidad la Cruz  presentó dos métodos diferentes: uno que resolvió para los flujos en cada tubería por la iterativo  aplicación de un factor de ajuste de flujo para cada bucle en la red, y uno que resolvió el  grados hidráulica a cada nodo en el sistema mediante la aplicación iterativa de un factor de ajuste por grados de  cada nodo en el sistema.  En el primer caso, los grados nodales asociados se obtuvieron luego por  partir de un punto de referencia determinado (por ejemplo, un tanque o depósito) y añadiendo o restando el  pérdida de carga asociada tubería entre nodos adyacentes, determinado mediante la aplicación de la Hazen-Williams  ecuación.  En este último caso, los flujos en cada tubo donde entonces se determina mediante la solución de Hazen-  Williams ecuación directa para la descarga mediante el uso de las diferencias en el resultado nodales adyacentes  las calificaciones como una medida de la pérdida de carga de la tubería.  Al aplicar el "bucle" método, las estimaciones iniciales de  flujo de tubería tenía que ser especificados para cada tubo, que inicialmente cumplen la continuidad del flujo en cada unión  nodo.  Al aplicar el "nodo" método, las estimaciones iniciales del gradiente hidráulico nodales tuvo que ser especificado  para cada nodo de conexiones.

Al comparar los dos métodos, Cruz señaló que "la convergencia era lenta y no muy satisfactorio"  cuando se emplea el método de ajuste nodo.  Esto se atribuyó a la dificultad de obtener buenos  estimaciones iniciales para los grados hidráulico.  Como resultado, el método de ajuste del bucle adquirido mayor  aceptación en la comunidad de ingeniería y rápidamente llegó a ser conocido exclusivamente como el Hardy "  Método de Cross ".  Si bien la Cruz método de Hardy fue desarrollado originalmente para su uso con un no-  metodología basada en solución de computadora, la estructura general del método era claramente un candidato para  dicha solicitud, sin embargo, el método tendría que esperar durante varias décadas para la llegada de los  informática de hardware y software necesarios para su plena aplicación.

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