<think>
我们之前提供的模型代码量较大，但用户反映代码量不足。这里提供一个更完整、更详细的版本，增加了注释和部分功能。
注意：由于Modelica模型通常较为冗长，完整代码可能超过200行。以下是一个扩展版本，包含更详细的初始化、动态方程和验证。
</think>
以下是一个更完整、更详细的供暖系统分支管网模型实现，增加了更多组件和验证逻辑，确保代码完整性：
```modelica
model CompleteHeatingNetwork
// ===== 系统参数 =====
parameter Integer nStations = 12; // 换热站数量（增加2个）
parameter Integer nNodes = 3 + 4*nStations + 8; // 总节点数
parameter Integer nPipes = 4*nStations + 12; // 总管数
// ===== 管道几何参数 =====
parameter Real pipe_lengths[nPipes] = {
// 主干管道 (5条)
8.5, 7.2, 6.8, 5.5, 4.8,
// 一级分支管道 (8条)
3.2, 2.8, 2.5, 2.1, 1.8, 1.5, 1.2, 0.9,
// 二级分支管道 (12条)
0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4,
// 换热站连接管道 (24条)
0.15, 0.12, 0.18, 0.22, 0.16, 0.14, 0.13, 0.11, 0.19, 0.17, 0.15, 0.12,
0.11, 0.13, 0.16, 0.14, 0.15, 0.17, 0.13, 0.12, 0.14, 0.16, 0.18, 0.15
}*1000; // 转换为米
parameter Real pipe_diameters[nPipes] = {
// 主干管道
0.60, 0.55, 0.50, 0.45, 0.40,
// 一级分支管道
0.35, 0.32, 0.30, 0.28, 0.25, 0.22, 0.20, 0.18,
// 二级分支管道
0.18, 0.17, 0.16, 0.15, 0.14, 0.13, 0.20, 0.18, 0.17, 0.16, 0.15, 0.14,
// 换热站连接管道
0.12, 0.11, 0.10, 0.09, 0.08, 0.07, 0.06, 0.05, 0.11, 0.10, 0.09, 0.08,
0.07, 0.06, 0.05, 0.04, 0.10, 0.09, 0.08, 0.07, 0.06, 0.05, 0.04, 0.03
};
parameter Real pipe_roughness[nPipes] = fill(4.5e-5, nPipes); // 管道粗糙度 (m)
parameter Real local_loss_coeffs[nPipes] = {
fill(0.3, 5), // 主干管道局部阻力
fill(0.8, 8), // 一级分支管道
fill(1.2, 12), // 二级分支管道
fill(10.0, 24) // 换热站局部阻力（包含阀门、过滤器等）
};
// ===== 流体属性 =====
parameter Real fluid_density = 983.2; // 流体密度 (kg/m³)
parameter Real fluid_viscosity = 0.00046; // 流体粘度 (Pa·s)
parameter Real fluid_cp = 4182; // 比热容 (J/kg·K)
// ===== 节点参数 =====
parameter Real node_elevations[nNodes] = {
// 热源节点 (2个)
52.5, 51.8,
// 主干节点 (5个)
50.2, 49.5, 48.8, 47.9, 47.2,
// 一级分支节点 (14个)
46.5, 45.8, 45.1, 44.4, 43.7, 43.0, 42.3, 41.6,
46.2, 45.5, 44.8, 44.1, 43.4, 42.7,
// 换热站入口节点 (12个)
41.5, 40.8, 40.1, 39.4, 38.7, 38.0,
41.2, 40.5, 39.8, 39.1, 38.4, 37.7,
// 换热站出口节点 (12个)
41.6, 40.9, 40.2, 39.5, 38.8, 38.1,
41.3, 40.6, 39.9, 39.2, 38.5, 37.8,
// 回水分支节点 (15个)
42.5, 43.2, 43.9, 44.6, 45.3, 46.0, 46.7,
42.8, 43.5, 44.2, 44.9, 45.6, 46.3, 47.0, 47.7,
// 回水汇合节点 (3个)
48.4, 49.1, 50.0
}; // 节点高程 (m)
// ===== 管网拓扑信息 =====
parameter Integer connectionMatrix[nPipes,2] = [
// === 供水主干 ===
{1, 3}, {3, 4}, {4, 5}, {5, 6}, {6, 7}, // 主干管道
// === 北部分支系统 ===
// 一级分支
{3, 8}, {8, 9}, {9, 10}, {10, 11},
{11, 12}, {12, 13}, {13, 14}, {14, 15},
// 二级分支
{8, 16}, {9, 17}, {10, 18}, {11, 19},
{12, 20}, {13, 21}, {14, 22}, {15, 23},
// === 南部分支系统 ===
// 一级分支
{5, 24}, {24, 25}, {25, 26}, {26, 27},
{27, 28}, {28, 29}, {29, 30}, {30, 31},
// 二级分支
{24, 32}, {25, 33}, {26, 34}, {27, 35},
{28, 36}, {29, 37}, {30, 38}, {31, 39},
// === 换热站连接 ===
// 北部分支换热站供水
{16, 40}, {17, 41}, {18, 42}, {19, 43}, {20, 44}, {21, 45},
{22, 46}, {23, 47}, {40, 48}, {41, 49}, {42, 50}, {43, 51},
// 南部分支换热站供水
{32, 52}, {33, 53}, {34, 54}, {35, 55}, {36, 56}, {37, 57},
{38, 58}, {39, 59}, {52, 60}, {53, 61}, {54, 62}, {55, 63},
// === 换热站回水 ===
// 北部分支换热站回水
{48, 64}, {49, 65}, {50, 66}, {51, 67}, {44, 68}, {45, 69},
{46, 70}, {47, 71},
// 南部分支换热站回水
{60, 72}, {61, 73}, {62, 74}, {63, 75}, {56, 76}, {57, 77},
{58, 78}, {59, 79},
// === 回水系统 ===
// 北部分支回水
{64, 80}, {65, 80}, {66, 80}, {67, 80}, {68, 81}, {69, 81},
{70, 81}, {71, 81}, {80, 82}, {81, 82},
// 南部分支回水
{72, 83}, {73, 83}, {74, 83}, {75, 83}, {76, 84}, {77, 84},
{78, 84}, {79, 84}, {83, 85}, {84, 85},
// 回水主干
{82, 86}, {85, 86}, {86, 87}, {87, 2}
];
// ===== 泵参数 =====
parameter Real pump_head_input = 65; // 泵扬程 (m)
parameter Real pump_efficiency = 0.85; // 泵效率
// ===== 换热站参数 =====
parameter Real station_demand[nStations] = {
2.5, 2.2, 1.8, 1.5, 1.2, 1.0,
3.0, 2.7, 2.3, 2.0, 1.7, 1.4
}; // 设计流量 (kg/s)
parameter Real station_valve_open[nStations] = {
0.8, 0.75, 0.7, 0.65, 0.6, 0.55,
0.85, 0.8, 0.75, 0.7, 0.65, 0.6
}; // 调节阀开度 [0-1]
// ===== 变量声明 =====
Real flow_rates[nPipes](
each start = 0.01,
each min = 1e-6,
each nominal = 0.05
) "每条管道的流量 (m³/s)";
Real node_pressures[nNodes](
each min = 0,
each max = 6e6,
each nominal = 3e5
) "节点压力 (Pa)";
Real temperatures[nNodes](
each min = 273.15,
each max = 373.15,
each nominal = 353.15
) "节点温度 (K)";
// ===== 中间变量 =====
Real v[nPipes]; // 管道流速 (m/s)
Real area[nPipes]; // 管道截面积 (m²)
Real Re[nPipes]; // 管道雷诺数
Real f[nPipes]; // 管道摩擦系数
Real friction_loss[nPipes]; // 摩擦损失 (Pa)
Real elevation_change[nPipes]; // 高程变化导致的压差 (Pa)
Real valve_coeff[nPipes]; // 阀门流量系数
Real heat_loss[nPipes]; // 管道热损失 (W)
// ===== 能量变量 =====
Real pumpPower; // 泵功率 (W)
Real pumpHydraulicPower; // 泵水力功率 (W)
Real lossPower; // 损失功率 (W)
Real heatLossTotal; // 总热损失 (W)
Real energyBalance; // 能量平衡误差 (W)
// ===== 系统动态参数 =====
parameter Real systemInertia = 1.5e4; // 系统惯性系数
parameter Real thermalInertia = 1e3; // 热惯性系数
// ===== 控制参数 =====
Real valve_position[nPipes]; // 阀门开度 [0-1]
Real pump_setpoint; // 泵设定点
// ===== 常量 =====
constant Real g = Modelica.Constants.g_n; // 重力加速度 (m/s²)
constant Real pi = Modelica.Constants.pi; // 圆周率
constant Real p_atm = 101325; // 大气压力 (Pa)
constant Real steel_conductivity = 50; // 钢管导热系数 (W/m·K)
constant Real insulation_conductivity = 0.04; // 保温层导热系数 (W/m·K)
constant Real insulation_thickness = 0.05; // 保温层厚度 (m)
constant Real ambient_temp = 283.15; // 环境温度 (K)
constant Real steel_thickness = 0.005; // 钢管厚度 (m)
// ===== 摩擦系数计算函数 =====
function calculateFrictionFactor
input Real Re; // 雷诺数
input Real eps; // 相对粗糙度
output Real f; // 摩擦系数
protected
Real A, B, C;
algorithm
if Re <= 2300 then
// 层流区
f := 64 / max(Re, 1e-3);
elseif Re <= 4000 then
// 过渡区 (线性插值)
f := 0.3164/Re^0.25 - 0.0015 * (Re - 2300)/1700;
else
// 湍流区 (Serghides方程)
A := -2 * log10(eps/3.7 + 12/Re);
B := -2 * log10(eps/3.7 + 2.51*A/Re);
C := -2 * log10(eps/3.7 + 2.51*B/Re);
f := (A - (B - A)^2/(C - 2*B + A))^(-2);
end if;
// 限制摩擦系数范围
f := min(max(f, 0.005), 0.08);
end calculateFrictionFactor;
// ===== 阀门特性函数 =====
function valveCharacteristic
input Real position; // 阀门开度 [0-1]
input Real Cv_max; // 最大流量系数
output Real Cv; // 当前流量系数
algorithm
// 等百分比特性
Cv := Cv_max * (exp(3.0 * position) - 1) / (exp(3.0) - 1);
end valveCharacteristic;
// ===== 热损失计算函数 =====
function pipeHeatLoss
input Real length; // 管道长度 (m)
input Real diameter; // 管道直径 (m)
input Real temp_diff; // 温度差 (K)
output Real Q_loss; // 热损失 (W)
protected
Real R_ins, R_conv, R_total;
algorithm
// 保温层热阻
R_ins := log((diameter/2 + insulation_thickness) / (diameter/2)) /
(2 * pi * length * insulation_conductivity);
// 对流热阻
R_conv := 1 / (pi * (diameter + 2*insulation_thickness) * length * 10);
// 总热阻
R_total := R_ins + R_conv;
// 热损失
Q_loss := temp_diff / R_total;
end pipeHeatLoss;
// ===== 模型方程 =====
equation
/* ===== 流体动力学方程 ===== */
// 流量守恒：每个节点的流入流量等于流出流量
for node in 1:nNodes loop
sum(flow_rates[pipe] for pipe in 1:nPipes
where connectionMatrix[pipe,1] == node)
=
sum(flow_rates[pipe] for pipe in 1:nPipes
where connectionMatrix[pipe,2] == node);
end for;
/* ===== 管道水力计算 ===== */
for pipe in 1:nPipes loop
// 管道截面积
area[pipe] = pi * (pipe_diameters[pipe]/2)^2;
// 流速计算
v[pipe] = flow_rates[pipe] / max(area[pipe], 1e-6);
// 雷诺数计算
Re[pipe] = fluid_density * abs(flow_rates[pipe]) * pipe_diameters[pipe] /
max(fluid_viscosity, 1e-10);
// 摩擦系数计算
f[pipe] = calculateFrictionFactor(
Re[pipe],
pipe_roughness[pipe]/max(pipe_diameters[pipe], 1e-3)
);
// 阀门流量系数 (换热站连接管有阀门)
valve_coeff[pipe] = if pipe >= 25 and pipe <= 48 then
valveCharacteristic(valve_position[pipe], 0.5) else 0.0;
// 摩擦损失（考虑流向和阀门）
friction_loss[pipe] = sign(flow_rates[pipe]) *
(f[pipe] * pipe_lengths[pipe] / max(pipe_diameters[
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