基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源方法及装置

技术领域

本发明涉及计算流体动力学技术领域，尤其涉及一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源方法及装置。

背景技术

压力脉动信号是紊流最重要的特征之一。任何流动结构都会产生有序或无序的物理量压力脉动信号。科学研究主要集中在湍流的本质上，然而，目前仍有许多未解决的问题。例如，在旋转机械研究中，压力脉动信号会影响到运行的安全性，所以要特别注意。

目前，通过物理实验虽然可以在某种程度上了解压力脉动信号的时域特征，然而在空间上，受到强烈的限制，因为只能分布在有限个数的离散监测位置上。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源方法及装置，用于解决现有技术中通过物理实验虽然可以在某种程度上了解压力脉动信号的时域特征，然而在空间上，受到强烈的限制，因为只能分布在有限个数的离散监测位置上的问题。具体方案如下：

一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源方法，包括：

确定模拟区域的各个监测点坐标和相邻监测点的距离；

将所述监测点坐标和所述距离添加到所述模拟区域中，基于计算流体动力学计算所述模拟区域中所述各个监测点的压力脉动时域数据；

对所述压力脉动时域数据进行处理，得到每个监测点的频率、幅值、峰-峰值和相位差。

上述的方法，可选的，确定模拟区域的各个监测点坐标和相邻监测点的距离，包括：

获取与所述模拟区域对应的监控区域的拓扑结构；

基于所述拓扑结构确定各个监控点的布局方式；

获取所述模拟区域的流速、一倍频率和安全系数，基于所述预设距离计算公式计算相邻监测点的距离，其中，所述预设距离计算公式为

其中，DE是相邻监测点的距离，U是所述模拟区域的流速，m/s；f是所述模拟区域的一倍频率，Hz；c

依据所述距离、所述监控区域和所述布局方式确定所述各个监测点的坐标。

上述的方法，可选的，对所述压力脉动时域数据进行处理，得到每个监测点的频率、幅值、峰-峰值和相位差，包括：

对所述压力脉动时域数据进行快速傅里叶变换，得到每个监测点的频率和振幅；

在各个频率中选取初始相位和结束相位，基于所述初始相位和所述结束相位计算相位差；

在预设置信区间下，获取在所述预设置信区间下的最大压力脉动值和最小压力脉动值，基于所述最大压力脉动值和所述最小脉动压力值确定峰-峰值。

上述的方法，可选的，在各个频率中选取初始相位和结束相位，基于所述初始相位和所述结束相位计算相位差，包括：

在所述各个频率对应的相位中选取初始相位，在其余相位中选取结束相位；

基于预设的相位差计算公式计算所述初始相位与所述结束相位的相位差，其中，所述预设的相位差计算公式为

其中，

上述的方法，可选的，还包括：

选取各个监测点坐标、频率、幅值、峰-峰值和相位差中的至少一个特征参数；

将所述特征参数以云图的形式进行展示。

一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源装置，包括：

确定模块，用于确定模拟区域的各个监测点坐标和相邻监测点的距离；

添加和计算模块，用于将所述监测点坐标和所述距离添加到所述模拟区域中，基于计算流体动力学计算所述模拟区域中所述各个监测点的压力脉动时域数据；

处理模块，用于对所述压力脉动时域数据进行处理，得到每个监测点的频率、幅值、峰-峰值和相位差。

上述的装置，可选的，所述确定模块包括：

拓扑结构获取单元，用于获取与所述模拟区域对应的监控区域的拓扑结构；

布局方式确定单元，用于基于所述拓扑结构确定各个监控点的布局方式；

获取和计算单元，用于获取所述模拟区域的流速、一倍频率和安全系数，基于所述预设距离计算公式计算相邻监测点的距离，其中，所述预设距离计算公式为

其中，DE是相邻监测点的距离，U是所述模拟区域的流速，m/s；f是所述模拟区域的一倍频率，Hz；c

坐标确定单元，用于依据所述距离、所述监控区域和所述布局方式确定所述各个监测点的坐标。

上述的装置，可选的，所述处理模块包括：

变换单元，用于对所述压力脉动时域数据进行快速傅里叶变换，得到每个监测点的频率和振幅；

选取和计算单元，用于在各个频率中选取初始相位和结束相位，基于所述初始相位和所述结束相位计算相位差；

获取和确定单元，用于在预设置信区间下，获取在所述预设置信区间下的最大压力脉动值和最小压力脉动值，基于所述最大压力脉动值和所述最小脉动压力值确定峰-峰值。

上述的装置，可选的，所述选取和计算单元包括：

选取子单元，用于在所述各个频率对应的相位中选取初始相位，在其余相位中选取结束相位；

计算子单元，用于基于预设的相位差计算公式计算所述初始相位与所述结束相位的相位差，其中，所述预设的相位差计算公式为

其中，

上述的装置，可选的，还包括：

选取模块，用于选取各个监测点坐标、频率、幅值、峰-峰值和相位差中的至少一个特征参数；

展示模块，用于将所述特征参数以云图的形式进行展示。

与现有技术相比，本发明包括以下优点：

本发明公开了一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源方法及装置，所述方法包括：确定模拟区域的各个监测点坐标和相邻监测点的距离；将所述监测点坐标和所述距离添加到所述模拟区域中，基于计算流体动力学计算所述模拟区域中所述各个监测点的压力脉动时域数据；对所述压力脉动时域数据进行处理，得到每个监测点的频率、幅值、峰-峰值和相位差。上述过程，基于计算流体动力学计算模拟区域各个监测点的压力脉动时域数据，并且预先将监测点添加到模拟区域中，由于基于CFD的数值模拟不受空间的限制，避免了物理实验中压力脉动信号的空间特性只能分布在有限个数的离散监测位置上会受到强烈限制的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源方法流程图；

图2为本申请实施例公开的一种拓扑结构布局方式示意图；

图3为本申请实施例公开的一种水翼的二维模型结构示意图；

图4为本申请实施例公开的频率幅值的空间分布图；

图5为本申请实施例公开的峰-峰值空间分布图；

图6为本申请实施例公开的频率空间分布图；

图7为本申请实施例公开的相位差空间分布图；

图8为本申请实施例公开的一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源装置结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

本发明公开了一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源方法及装置，用于实现对经过计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)的压力脉动信号溯源过程，现有技术中，通过物理实验虽然可以在某种程度上了解压力脉动信号的时域特征，然而在空间上，受到强烈的限制，因为通过物理实验只能分布在有限个数的离散监测位置上，因此，本发明提供了一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源方法，用于解上述问题，所述方法的执行流程如图1所示，包括步骤：

S101、确定模拟区域的各个监测点坐标和相邻监测点的距离；

本发明实施例中，所述模拟区域为基于CFD进行仿真计算的区域，其中，所述模拟区域可以为正方体、长方体、圆柱体或者上述结构的某一区域。为了研究压力脉动信号的空间传播特性，需要在模拟区域内有序地布置大量监测点，根据具体情况在所述模拟区域中选择监控区域，并根据监控区域的拓扑结构选择监控点的布局方式。例如，基于二维直角坐标系中，监测点可以按照被检测区域的拓扑结构均匀排列，如图2(a)所示，纵向坐标值为(x

进一步的，在选定布局方式后，确定每个相邻两个监测点的估计距离DE(单位：m)，选取的原则为控制压力脉动监测点的数量，保证在能够捕捉到压力脉动特征的基础上，准确合理地布置监测点位置和数量，避免浪费CFD计算资源，可以通过以下公式计算：

其中，U是监测区域的流速，m/s；f是监测区域的主要频率，Hz；c

在确定了布局方式和相邻监测点的距离后，基于所述监控区域的几何尺寸，确定所述各个监测点的监测点坐标。优选的，对每个监测点命名，并且记录监测点坐标，以确定其空间位置。

S102、将所述监测点坐标和所述距离添加到所述模拟区域中，基于计算流体动力学计算所述模拟区域中所述各个监测点的压力脉动时域数据；

本发明实施例中，将所述监测点坐标和所述距离添加到所述模拟区域中，添加完成后，基于CFD算法计算所述模拟区域中各个监测点的压力脉动时域数据，其中，本发明实施例中，对所述CFD算法的具体计算形式不进行限定。

S103、对所述压力脉动时域数据进行处理，得到每个监测点的频率、幅值、峰-峰值和相位差。

本发明实施例中，将模拟计算出来的压力脉动时域数据，通过快速傅里叶变换(FFT)，可以准确地求解这些正弦(或余弦)信号的频率f和振幅A，并得到频域图，例如通过matlab或者origin软件的FFT功能可以轻易的获得信号的频率和幅值，其离散化基本公式为：

其中，x是时域压力脉动数据，X频域压力脉动数据，f是频率，T是周期，N是采样点的个数。Δt是采样间隔，n＝0、1、2、3……

针对每个监测点的频率可以包含一倍频率和二倍频率等，本发明实施例中，以一倍频率为例进行说明，针对每一个一倍频率，选择上述各个一倍频率中的任意一个一倍频率的相位作为初始相位，记为

其中，

压力脉动信号的峰-峰值描述了它的变化范围的大小，为了避免信号干扰造成的误差，在计算压力脉动峰-峰值时要考虑一定的置信区间(通常取97％或95％)，监测点的峰-峰值可以下式计算：

ΔP＝P

其中，P

本发明公开了一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源方法，包括：确定模拟区域的各个监测点坐标和相邻监测点的距离；将所述监测点坐标和所述距离添加到所述模拟区域中，基于计算流体动力学计算所述模拟区域中所述各个监测点的压力脉动时域数据；对所述压力脉动时域数据进行处理，得到每个监测点的频率、幅值、峰-峰值和相位差。上述过程，基于计算流体动力学计算模拟区域各个监测点的压力脉动时域数据，并且预先将监测点添加到模拟区域中，由于基于CFD的数值模拟不受空间的限制，避免了物理实验中压力脉动信号的空间特性只能分布在有限个数的离散监测位置上会受到强烈限制的问题。

本发明实施例中，基于上述的处理过程得到了大量监测点的空间位置(例如，笛卡尔坐标系下的x、y、z坐标值)、每个监测点的一倍频率、一倍频率下的幅值A、每个监测点的峰-峰值ΔP和每个监测点的所有频率下的相位

本发明实施例中，在流体计算域中布置大量有序监测点，摆脱实验过程中传感器监测点数量的限制，可以有效地捕捉压力脉动传播过程中时间和空间上的关系，是对CFD后处理的一个很好的补充，并且也可以显示丰富的压力脉动数据。

本发明实施例中，以NACA0009水翼的二维模型为具体实施例，如图3所示，进口速度V

边界条件设置如下：

进口为速度进口边界：v

取各监测点的一倍频率和二倍频率的振幅值，绘制图4的振幅分布特征。其中，图4(a)为一倍频率幅值空间分布图，图4(b)为二倍频率幅值空间分布图，一倍频率的振幅空间分布是沿Y＝50，在水翼下游对称分布的。取各监测点97％置信区间的峰-峰值ΔP，绘制图5的ΔP分布特征，用于监测压力脉动的空间衰减特征。该图也是沿Y＝50对称分布，主要原因是受到了局部两排漩涡脱落的影响。由各监测点的幅值最大处的频率而得出图6的频率分布特征，水翼尾部只有1152.07Hz和2304.14Hz的两个主导频率。其中，1152.07Hz是深色区域，2304.14Hz是浅色区域。设置初始点位于水翼后缘中心(X＝0，Y＝50)。初始点一倍频下的相位定义为初始相位。图7中绘制了任意点与初始点之间的相位差。从深色到浅色，相位差从0增加π，呈反相位对称分布。

基于上述的一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源方法，本发明实施例中，提供了一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源装置，所述溯源装置的结构框图如图8所示，包括:

确定模块201、添加和计算模块202和处理模块203。

其中，

所述确定模块201，用于确定模拟区域的各个监测点坐标和相邻监测点的距离；

所述添加和计算模块202，用于将所述监测点坐标和所述距离添加到所述模拟区域中，基于计算流体动力学计算所述模拟区域中所述各个监测点的压力脉动时域数据；

所述处理模块203，用于对所述压力脉动时域数据进行处理，得到每个监测点的频率、幅值、峰-峰值和相位差。

本发明公开了一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源装置，包括：确定模拟区域的各个监测点坐标和相邻监测点的距离；将所述监测点坐标和所述距离添加到所述模拟区域中，基于计算流体动力学计算所述模拟区域中所述各个监测点的压力脉动时域数据；对所述压力脉动时域数据进行处理，得到每个监测点的频率、幅值、峰-峰值和相位差。上述过程，基于计算流体动力学计算模拟区域各个监测点的压力脉动时域数据，并且预先将监测点添加到模拟区域中，由于基于CFD的数值模拟不受空间的限制，避免了物理实验中压力脉动信号的空间特性只能分布在有限个数的离散监测位置上会受到强烈限制的问题。

本发明实施例中，所述确定模块201包括：

拓扑结构获取单元、布局方式确定单元、获取和计算单元和坐标确定单元。

其中，

所述拓扑结构获取单元，用于获取与所述模拟区域对应的监控区域的拓扑结构；

所述布局方式确定单元，用于基于所述拓扑结构确定各个监控点的布局方式；

所述获取和计算单元，用于获取所述模拟区域的流速、一倍频率和安全系数，基于所述预设距离计算公式计算相邻监测点的距离，其中，所述预设距离计算公式为

其中，DE是相邻监测点的距离，U是所述模拟区域的流速，m/s；f是所述模拟区域的一倍频率，Hz；c

所述坐标确定单元，用于依据所述距离、所述监控区域和所述布局方式确定所述各个监测点的坐标。

本发明实施例中，所述处理模块203包括：

变换单元、选取和计算单元和获取和确定单元。

所述变换单元，用于对所述压力脉动时域数据进行快速傅里叶变换，得到每个监测点的频率和振幅；

所述选取和计算单元，用于在各个频率中选取初始相位和结束相位，基于所述初始相位和所述结束相位计算相位差；

所述获取和确定单元，用于在预设置信区间下，获取在所述预设置信区间下的最大压力脉动值和最小压力脉动值，基于所述最大压力脉动值和所述最小脉动压力值确定峰-峰值。

本发明实施例中，所述选取和计算单元包括：

选取子单元和计算子单元。

其中，

所述选取子单元，用于在所述各个频率对应的相位中选取初始相位，在其余相位中选取结束相位；

所述计算子单元，用于基于预设的相位差计算公式计算所述初始相位与所述结束相位的相位差，其中，所述预设的相位差计算公式为

其中，

本发明实施例中，所述装置还包括：

选取模块和展示模块。

其中，

所述选取模块，用于选取各个监测点坐标、频率、幅值、峰-峰值和相位差中的至少一个特征参数；

所述展示模块，用于将所述特征参数以云图的形式进行展示。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本发明时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上对本发明所提供的一种基于CFD后处理的压力脉动信号的溯源方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。