【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及流體信號處理，具體涉及一種基于旋渦流型的gcvf臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)及方法。
技術(shù)介紹
1、隨著化石能源的逐漸枯竭和環(huán)境問題的加劇，全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟪掷m(xù)增長。水力發(fā)電作為一種清潔、高效的可再生能源，在能源轉(zhuǎn)換和電網(wǎng)穩(wěn)定中具有重要作用。低水頭潮汐能電站憑借其高響應(yīng)性和儲能發(fā)電特性，成為平衡電力負(fù)荷和控制電網(wǎng)頻率的重要手段。然而，在低水頭水電站運行中，氣液耦合渦流gas-liquid?coupling?vortex?flow,gcvf現(xiàn)象廣泛存在。這種現(xiàn)象容易引發(fā)隨機激波振動，不僅破壞了水輪機的性能，還導(dǎo)致輸入流的不穩(wěn)定性，最終降低水電轉(zhuǎn)換效率并威脅設(shè)備的使用壽命。
2、目前，針對gcvf現(xiàn)象的研究已取得一定進(jìn)展，包括旋渦流型、氣液耦合動力學(xué)行為及振動產(chǎn)生特性。然而，由于gcvf受氣液相互作用和非線性隨機激勵的影響，其沖擊振動的演化機理和臨界貫穿狀態(tài)的預(yù)測仍然是技術(shù)難點。因此，設(shè)計能夠有效預(yù)測gcvf沖擊振動的系統(tǒng)，對提升水電能源利用率及設(shè)備運行穩(wěn)定性具有重要意義。但現(xiàn)有的gcvf臨界貫穿狀態(tài)預(yù)測方面存在以下主要不足：：1、氣液耦合流場建模復(fù)雜性：傳統(tǒng)方法無法準(zhǔn)確捕捉gcvf氣液界面的動態(tài)演化特征，對多相流體的輸運規(guī)律和界面特性理解有限。2、振動特征識別不精準(zhǔn)：現(xiàn)有的實驗和數(shù)值模擬方法主要關(guān)注振動信號的部分頻段或時域分量，難以有效揭示臨界貫穿狀態(tài)下的隨機脈動和非線性振動特征。3、預(yù)測精度不足：現(xiàn)有模型未能綜合考慮氣液耦合輸運、旋渦流型及渦激振動的全局特性，無法實現(xiàn)對gcvf臨界貫穿沖擊振動的高精度預(yù)
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)提供一種基于旋渦流型的gcvf臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)及方法，確保實現(xiàn)對gcvf臨界貫穿沖擊振動的高精度預(yù)測。
2、為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是：
3、基于旋渦流型的gcvf臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)，包括流場建模模塊、流固耦合分析模塊、動態(tài)網(wǎng)格優(yōu)化模塊、信號處理與特征提取模塊、數(shù)據(jù)融合與預(yù)測模塊以及顯示與報警模塊；
4、流場建模模塊向流固耦合分析模塊提供數(shù)據(jù)的同時，通過動態(tài)網(wǎng)格優(yōu)化模塊進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化后輸出至流固耦合分析模塊，信號處理與特征提取模塊對流固耦合分析模塊輸出的振動特征信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并傳送至數(shù)據(jù)融合與預(yù)測模塊，數(shù)據(jù)融合與預(yù)測模塊通過內(nèi)部的預(yù)測模型預(yù)測gcvf的沖擊振動強度、頻率及其演化趨勢并將預(yù)測結(jié)果并傳遞至顯示與報警模塊。
5、上述的流場建模模塊利用水平集方法建立gcvf流場模型，追蹤氣液界面的動態(tài)變化，并通過重初始化算法解決數(shù)值擴(kuò)散問題，從而保證界面計算的準(zhǔn)確性；為系統(tǒng)提供氣液相互作用的動態(tài)模擬數(shù)據(jù)，為后續(xù)模塊提供必要的流場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，流場建模模塊向流固耦合分析模塊傳遞氣液界面的實時演化數(shù)據(jù)。
6、上述的流固耦合分析模塊基于flügge殼體理論建立薄壁圓柱殼流固耦合模型，計算渦流對結(jié)構(gòu)的沖擊力及所導(dǎo)致的振動響應(yīng)；對渦激振動進(jìn)行頻域和時域分析，提取關(guān)鍵振動頻率和隨機脈沖成分，為臨界貫穿狀態(tài)下的振動預(yù)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；流固耦合分析模塊依賴流場建模模塊的輸出數(shù)據(jù)，同時將振動特征傳遞給信號處理與特征提取模塊。
7、上述的動態(tài)網(wǎng)格優(yōu)化模塊通過采用彈簧光順網(wǎng)格技術(shù)和局部網(wǎng)格重構(gòu)策略，實時優(yōu)化網(wǎng)格，解決計算中可能出現(xiàn)的高失真問題，確保數(shù)值計算的穩(wěn)定性和精度；對流固耦合分析模塊提供的流場數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，保證數(shù)據(jù)傳遞的精確度，并為流固耦合分析模塊提供高質(zhì)量的網(wǎng)格支持。
8、上述的信號處理與特征提取模塊對流固耦合分析模塊輸出的振動信號進(jìn)行時域、頻域和時頻域分析，使用短時傅里葉變換和功率譜密度psd分析提取關(guān)鍵振動特征；這些特征有助于識別gcvf臨界貫穿狀態(tài)，并為系統(tǒng)預(yù)測提供所需的輸入?yún)?shù)；信號處理模塊提取的振動特征信息最終被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)融合與預(yù)測模塊，以供進(jìn)一步分析和預(yù)測。
9、上述的數(shù)據(jù)融合與預(yù)測模塊將來自各個模塊的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以流固耦合分析模型的模擬數(shù)據(jù)信息，以及現(xiàn)場的振動傳感器等真實信息相互結(jié)合，通過對模擬數(shù)據(jù)信息進(jìn)行時域、頻域、時頻域的綜合特征分析，在進(jìn)入gcvf臨界貫穿狀態(tài)前進(jìn)行預(yù)測以及確認(rèn)，并通過機器學(xué)習(xí)算法建立預(yù)測模型，這一模塊綜合分析歷史數(shù)據(jù)和實時輸入，預(yù)測gcvf的沖擊振動強度、頻率及其演化趨勢，為操作員提供可操作的預(yù)測結(jié)果和建議；該模塊是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)生成預(yù)測結(jié)果并傳遞至顯示與報警模塊。
10、使用上述的基于旋渦流型的gcvf臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)的預(yù)測方法，流場建模模塊內(nèi)具體工作流程為：
11、水平集法level?set?method,?lsm利用高級函數(shù)的零值跟蹤氣液界面的實時運動；其中，函數(shù)=0表示界面，0表示界面上方的流體，0表示界面下方的流體；lsm的輸運方程如下：
12、；
13、由于數(shù)值擴(kuò)散，不再是距離函數(shù)；針對上述問題，通過描述的重新初始化過程來重新距離函數(shù)；平均曲率 κ和法向量n可以分別用函數(shù)和梯度法向界面計算：
14、；
15、；
16、gcvf流場中密度 ρi和粘度 μi依賴于水平集函數(shù)；可以利用物理參數(shù)確定變量引起的過渡區(qū)域，在界面過渡中，heaviside函數(shù)可以平滑流體的密度和粘度等物理特性：
17、；
18、式中， ε為模擬界面厚度， ε=1.5 a， a的值為網(wǎng)格空間；流體性質(zhì)的控制方程為：
19、；
20、式中，下標(biāo)a和b分別表示上層和下層流體；假定液相和氣相是不可壓縮的流體，結(jié)合連續(xù)體表面力continuum?surface?forces,?csf模型計算表面張力，對navier-stokes方程進(jìn)行修正：
21、；
22、式中，n為氣液界面的法向量， δ()為表面δ函數(shù)， σ為表面張力系數(shù)， κ為界面平均曲率。
23、上述的流固耦合分析模塊內(nèi)具體工作流程為：
24、flügge方程的軸向波數(shù)位移解如下：
25、；
26、式中， ums、 vms、 wms分別為殼體分量在柱坐標(biāo)( x、 θ、 r)三個方向上的位移幅值， 本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
1.基于旋渦流型的GCVF臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，包括流場建模模塊、流固耦合分析模塊、動態(tài)網(wǎng)格優(yōu)化模塊、信號處理與特征提取模塊、數(shù)據(jù)融合與預(yù)測模塊以及顯示與報警模塊；
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于旋渦流型的GCVF臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的流場建模模塊利用水平集方法建立GCVF流場模型，追蹤氣液界面的動態(tài)變化，并通過重初始化算法解決數(shù)值擴(kuò)散問題；為系統(tǒng)提供氣液相互作用的動態(tài)模擬數(shù)據(jù)，為后續(xù)模塊提供流場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，流場建模模塊向流固耦合分析模塊傳遞氣液界面的實時演化數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的基于旋渦流型的GCVF臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的流固耦合分析模塊基于Flügge殼體理論建立薄壁圓柱殼流固耦合模型，計算渦流對結(jié)構(gòu)的沖擊力及所導(dǎo)致的振動響應(yīng)；對渦激振動進(jìn)行頻域和時域分析，提取關(guān)鍵振動頻率和隨機脈沖成分，為臨界貫穿狀態(tài)下的振動預(yù)測提供數(shù)據(jù)；流固耦合分析模塊依賴流場建模模塊的輸出數(shù)據(jù)，同時將振動特征傳遞給信號處理與特征提取模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的基于旋渦流型的GCVF臨界貫穿沖擊
5.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的基于旋渦流型的GCVF臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號處理與特征提取模塊對流固耦合分析模塊輸出的振動信號進(jìn)行時域、頻域和時頻域分析，使用短時傅里葉變換和功率譜密度PSD分析提取關(guān)鍵振動特征；為系統(tǒng)預(yù)測提供所需的輸入?yún)?shù)；信號處理模塊提取的振動特征信息最終被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)融合與預(yù)測模塊，以供進(jìn)一步分析和預(yù)測。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的基于旋渦流型的GCVF臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)融合與預(yù)測模塊將來自各個模塊的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以流固耦合分析模型的模擬數(shù)據(jù)信息，以及現(xiàn)場的振動傳感器等真實信息相互結(jié)合，通過對模擬數(shù)據(jù)信息進(jìn)行時域、頻域、時頻域的綜合特征分析，在進(jìn)入GCVF臨界貫穿狀態(tài)前進(jìn)行預(yù)測以及確認(rèn)，并通過機器學(xué)習(xí)算法建立預(yù)測模型，綜合分析歷史數(shù)據(jù)和實時輸入，預(yù)測GCVF的沖擊振動強度、頻率及其演化趨勢，為操作員提供可操作的預(yù)測結(jié)果和建議；生成預(yù)測結(jié)果并傳遞至顯示與報警模塊。
7.使用權(quán)利要求6中所述的基于旋渦流型的GCVF臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)的預(yù)測方法，其特征在于，流場建模模塊內(nèi)具體工作流程為：
8.根據(jù)權(quán)利要求7中所述的基于旋渦流型的GCVF臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)的預(yù)測方法，其特征在于，所述的流固耦合分析模塊內(nèi)具體工作流程為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.基于旋渦流型的gcvf臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，包括流場建模模塊、流固耦合分析模塊、動態(tài)網(wǎng)格優(yōu)化模塊、信號處理與特征提取模塊、數(shù)據(jù)融合與預(yù)測模塊以及顯示與報警模塊；
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于旋渦流型的gcvf臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的流場建模模塊利用水平集方法建立gcvf流場模型，追蹤氣液界面的動態(tài)變化，并通過重初始化算法解決數(shù)值擴(kuò)散問題；為系統(tǒng)提供氣液相互作用的動態(tài)模擬數(shù)據(jù)，為后續(xù)模塊提供流場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，流場建模模塊向流固耦合分析模塊傳遞氣液界面的實時演化數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的基于旋渦流型的gcvf臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的流固耦合分析模塊基于flügge殼體理論建立薄壁圓柱殼流固耦合模型，計算渦流對結(jié)構(gòu)的沖擊力及所導(dǎo)致的振動響應(yīng)；對渦激振動進(jìn)行頻域和時域分析，提取關(guān)鍵振動頻率和隨機脈沖成分，為臨界貫穿狀態(tài)下的振動預(yù)測提供數(shù)據(jù)；流固耦合分析模塊依賴流場建模模塊的輸出數(shù)據(jù)，同時將振動特征傳遞給信號處理與特征提取模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的基于旋渦流型的gcvf臨界貫穿沖擊振動預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的動態(tài)網(wǎng)格優(yōu)化模塊通過采用彈簧光順網(wǎng)格技術(shù)和局部網(wǎng)格重構(gòu)策略，實時優(yōu)化網(wǎng)格，解決計算中可能出現(xiàn)的高失真問題；對流固耦合分析模塊提供的流場數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，保證數(shù)據(jù)傳遞的精確度...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：方可沁，
申請(專利權(quán))人：三峽大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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