我国天然气管输系统正向着大型化、连续化、管网化的方向发展,输送过程日益庞大和复杂,由于管输系统是密闭水动力系统,各环节紧密联系,相互影响和制约,每一环节的工况变化将影响整个系统,压缩机开关、切断阀紧急关闭、管线泄漏或断裂以及管线堵塞等特殊工况的出现使得人们更难于了解和掌握管道系统的运行规律,论证和提出合理的设计方案和运行方案,这就要求对以上操作所引起的管输系统内的快瞬变流动进行更加深入和广泛的研究,因此本选题对于促进我国大型输气管网的建设和运行管理具有重要意义。　　 本文采用数值模拟和实验研究相结合的方式开展天然气管输系统快瞬变流动特性的研究。　　 首先,建立了以质量、动量和能量守恒定律为基础的描述刚性管道内一维气体流动的数学模型,并利用节点一节点表示法和节点.支管表示法相结合的组合表示法对管网拓扑结构进行描述,建立了天然气管输快瞬变流的管网模型。采用特征线法和逆步进法相结合的方法对模型进行了差分求解,将龙格库塔法和隐式有限差分法相结合进行预仿真,以所得慢瞬变流动状态作为快瞬变流动数值模拟的初始条件。用C&C++对所建立的模型和算法进行编程,将模拟结果与经典文献数据对比完成模型和算法的验证。　　 其次,分析可能对天然气管输系统快瞬变流动数值模拟精度产生影响的参数,并以基础变量选取、传热项处理和状态方程选择为例,将数值模拟与室内实验相结合,研究模型处理对输气管道快瞬变流动数值模拟的敏感性,从模型细节处理的角度提高快瞬变流动模拟的精度,分析结果发现计算机模拟过程对方程中非独立变量的选择相对不敏感,其中Phω模型精度较高,运行时间稍短,建议实际应用时考虑采用以Phω为基础参数的模型。建立了可描述地层蓄热效应的天然气管流与外界地层之间—维轴对称非稳态传热模型,结果发现不考虑地层蓄热效应的稳态传热模型高估了管线中流量的波动幅度,工程应用中应该尽量采用非稳态传热模型对高压天然气管流进行动态模拟。　　 再次,对压缩机启停工况和阀门紧急开关工况下的快瞬变流动进行了模拟研究,采用综合了黑箱算法和热力算法的优点的新方法求解压缩机稳定运行工况,在此基础上提出压缩机启停动态过程的近似处理方法,建立了完整的压缩机启、停、运行工况模型,建立了描述阀门开度、开关速度、流量和压降等参数关系的阀门开关动态特性模型,然后在特征线法边界处理的基础上,给定压缩机和阀门实际运行工况的边界条件,以预仿真结果为初始条件,对压缩机启停和阀门紧急开关过程中管输系统快瞬变流动参数的变化进行了模拟研究,得到了压缩机启停过程与阀门开关过程中管道沿线运行参数的变化规律。　　 最后,采用等效管径法将管道断裂和堵塞工况统一描述为管道变径问题,分别建立包含壅塞流动处理的管道破裂模型和管道堵塞模型,根据工程实际给出两模型各边界的处理方法,采用特征线法分别对管道破裂和管道堵塞工况下的快瞬变流动进行了模拟研究,得到了断裂和堵塞工况下管道沿线参数的变化规律。　　 本课题揭示了多种快瞬变流动工况下天然气管输系统运行参数的变化规律,为管输系统安全经济的调控管理提供准确、迅速的管道工况分析手段奠定了基础,对提高整个输气管网系统运行的可靠性和运行效率有着显著的指导意义和经济价值。