基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程的分析方法

技术领域

本发明涉及过渡过程频谱分析技术领域，特别是涉及一种基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程的分析方法。

背景技术

水力机械种类繁多，主要分为原动机和工作机两大类。应用范围广，在水利工程上，主要应用在农业灌溉、排涝、城市供水等方面；在工业上，主要应用于化学工业、石油工业、动力工程和采矿工业上；在电力工业、航天技术、生物医学工程等领域都有应用。其中水力机械的过渡过程在我国的研究起步较晚，而过渡过程是衡量水力机械稳定性的关键因素之一。压力脉动是水力机械过渡过程中研究的重要指标之一，研究压力脉动能够对水力机械是否能够安全稳定运行提供判断依据，具有经济效益和工程实际意义。

现有的针对水力机械过渡过程的特性分析方法基本上是取固定时间步长，作频谱分析，但是这种方法在转速过大时，叶轮在规定时间步长，经历的角度较大；而转速较小时，叶轮在规定时间步长，经历的角度很小；因此这种均匀采样的方式不适用于非均匀入流管道泵的过渡过程的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程的分析方法，以解决上述现有技术存在的问题，使得水力机械在断电过渡过程中压力脉动的变化规律能被准确的分析并预测到。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程的分析方法，包括以下步骤：

S1，构建非均匀入流管道泵模型，包括：蜗壳、叶轮、进口肘型弯管、出口直管；

S2，构建湍流模型，计算所述湍流模型在通过处在断电过渡过程中的非均匀入流管道泵时的流量、转速和扭矩，并获得所述过程中流量、转速、扭矩随时间变化的变化曲线；

S3，根据S2中所述变化曲线得到所述非均匀入流管道泵断电过渡过程中的叶轮转速和流量的关系变化规律，以及宏观参数变化趋势的规律；

S4，先布置压力监测点，再设置非等间隔时间步长，然后对各监测点的瞬态压力脉动信号进行所述非等间隔时间步长的采样，采样完成后对采样到的所述瞬态压力脉动信号进行处理，得到压力脉动信号，并获得压力脉动随时间变化的变化曲线，然后对所述压力脉动信号进行分析，并根据分析结果获得功率谱图。

进一步地，所述非均匀入流管道泵模型还包括结构网格，所述结构网格用于对流体进行分块离散。

进一步地，所述S2的步骤包括：

S2.1，在正常工况下的非均匀入流管道泵中，先进行定常计算，再基于所述定常计算的结果进行非定常计算，用非定常计算结果作为非均匀入流管道泵断电过渡过程中计算的初始条件；

S2.2，构建湍流模型，在所述湍流模型中计算出扭矩、转速和流量的节点信息，其中转速计算要利用上一步长的节点信息计算新的转速；

S2.3，重复计算所述扭矩、转速和流量的节点信息，直到发现所述扭矩一直围绕0进行震荡，达到一种动态平衡，结束计算，基于所述节点信息获得流量、转速、扭矩随时间变化的变化曲线。

进一步地，所述转速的计算方法为：

根据角动量微分方程计算叶轮转速，将所述角动量微分方程进行离散差分，得到角动量差分方程，将所述正常工况下的非定常计算结果作为初始条件进行计算，得出转速。

进一步地，所述角动量微分方程为：

其中，M为转子受到的合力矩，J为转子转动惯量，ω为转子角速度， t为时间。

进一步地，所述S3中的宏观参数变化趋势的规律为：非均匀入流管道泵在断电过渡过程中转速先减小至零，后逐渐增大至飞逸转速保持不变；流量先正向减小后反向增大，反向增大到临界值后逐渐减小，最后稳定在飞逸流量；其中扭矩的变化规律与流量一致。

进一步地，所述S4中监测点的布置位置为：

在进口肘型弯管与叶轮交界面顺时针均匀布置三圈监测点；

在进口肘型弯管中心面的中轴线上均匀布置监测点；

在叶轮与蜗壳的交界面均匀布置监测点。

进一步地，所述设置非等间隔时间步长为：

其中，计算时间步长设置为一度一步，d为设置的每步度数，值为1， n为转速，c为移动因子，值为100。

进一步地，所述S4中的对瞬态压力脉动信号进行处理的具体方法为：通过对所述瞬态压力脉动信号进行加权平均，得到所述信号的加权平均值，再进行无量纲化处理，将所述无量纲化处理后的压力脉动信号进行非等间隔压力脉动频谱分析。

本发明公开了以下技术效果：

本发明提出的基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程的分析方法相比于传统等间隔的水力机械过渡过程，能够更加准确的预测水力机械断电过渡过程中压力脉动的变化规律以及在机组振动中的主要频率，能有效减少叶轮叶片循环应力和疲劳破坏加剧的影响，减少翻修时间，增大机组正常工作时间，增大机组寿命。

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为基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程的流程示意图；

图2为基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程扭矩随时间的变化曲线示意图；

图3为基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程转速随时间的变化曲线示意图；

图4为基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程流量随时间的变化曲线示意图；

图5为基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程蜗壳隔舌压力脉动随时间的变化曲线示意图；

图6为基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程进口肘型弯管压力脉动随时间的变化曲线示意图；

图7为基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程蜗壳隔舌压力脉动功率谱图；

图8为基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程肘型弯管压力脉动功率谱图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。

实施例1

本发明提供一种基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程的分析方法，流程示意图如图1所示，包括以下步骤：

S1，构建非均匀入流管道泵模型，包括：蜗壳、叶轮、进口肘型弯管、出口直管；

S2，构建湍流模型，计算所述湍流模型在通过处在断电过渡过程中的非均匀入流管道泵时的流量、转速和扭矩，并获得所述过程中流量、转速、扭矩随时间变化的变化曲线；

S3，根据S2中所述变化曲线得到所述非均匀入流管道泵断电过渡过程中的叶轮转速和流量的关系变化规律，以及宏观参数变化趋势的规律；

S4，先布置压力监测点，再设置非等间隔时间步长，然后对各监测点的瞬态压力脉动信号进行所述非等间隔时间步长的采样，采样完成后对采样到的所述瞬态压力脉动信号进行处理，得到压力脉动信号，并获得压力脉动随时间变化的变化曲线，其中压力脉动随时间变化的变化曲线如图5、图6所示，其中图5为蜗壳隔舌处的压力脉动变化，图6为进口肘型弯管处的压力脉动变化，然后对所述压力脉动信号进行分析，并根据分析结果获得功率谱图，如图7、8所示，其中7为蜗壳隔舌处的压力脉动功率谱图，图8为进口肘型弯管处的压力脉动功率谱图。

进一步地，所述非均匀入流管道泵模型还包括结构网格，所述结构网格用于对流体进行分块离散。

进一步地，所述S2的步骤包括：

S2.1，在正常工况下的非均匀入流管道泵中，先进行定常计算，再基于所述定常计算的结果进行非定常计算，用非定常计算结果作为非均匀入流管道泵断电过渡过程中计算的初始条件；

S2.2，构建湍流模型，在所述湍流模型中计算出扭矩、转速和流量的节点信息，其中转速计算要利用上一步长的节点信息计算新的转速；

S2.3，重复计算所述扭矩、转速和流量的节点信息，直到发现所述扭矩一直在0左右震荡，达到一种动态平衡，结束计算，基于所述节点信息获得流量、转速、扭矩随时间变化的变化曲线，其中扭矩随时间变化的变化曲线如图2所示，转速随时间变化的变化曲线如图3所示，流量随时间变化的变化曲线如图4所示。

进一步地，其中所述转速的计算方法为：

根据角动量微分方程计算叶轮转速，将所述角动量微分方程进行离散差分，得到角动量差分方程，将所述正常工况下的非定常计算结果作为初始条件进行计算，得出转速。

进一步地，其中所述角动量微分方程为：

其中，M为转子受到的合力矩，J为转子转动惯量，ω为转子角速度， t为时间。

进一步地，所述S3中的宏观参数变化趋势的规律为：非均匀入流管道泵在断电过渡过程中转速先减小至零，后逐渐增大至飞逸转速保持不变；流量先正向减小后反向增大，反向增大到临界值后逐渐减小，最后稳定在飞逸流量；其中扭矩的变化规律与流量一致。

进一步地，所述S4中监测点的布置位置为：

在进口肘型弯管与叶轮交界面顺时针均匀布置三圈监测点；

在进口肘型弯管中心面的中轴线上均匀布置监测点；

在叶轮与蜗壳的交界面均匀布置监测点。

进一步地，所述设置非等间隔时间步长为：

其中，计算时间步长设置为一度一步，d为设置的每步度数，值为1， n为转速，c为移动因子，值为100。

进一步地，所述S4中的对瞬态压力脉动信号进行处理的具体方法为：通过对所述瞬态压力脉动信号进行加权平均，得到所述信号的加权平均值，再进行无量纲化处理，将所述无量纲化处理后的压力脉动信号进行非等间隔压力脉动频谱分析。

实施例2

本申请的分析方法适用于若干个仿真计算流体力学软件，其中用到的高级语言为使用的仿真计算流体力学软件所支持的；也适用于若干个仿真分析软件及算法。本实施例里所用到的仿真计算流体力学软件为CFX软件，对应的高级语言为Fortran语言，分析软件用的是matlab，所述使用的分析算法为Lomb-Scargle算法。

本发明提供一种基于非等间隔时间步长的管道泵断电过渡过程的分析方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：

S1：绘制三维造型和用于非均匀入流管道泵断电过渡过程的网格。

对蜗壳、叶轮、进口肘型弯管、和出口直管进行三维造型，并以上述三维造型建立管道泵的水体计算模型，利用结构网格对流体域进行分块离散，并通过多套网格对网格节点数量无关性进行验证，最终确定网格节点数最小但是对外特性曲面没有影响的节点，选择了以下网格数量作网格质量分析：

A:975682B:1126018C:1434317D:1816890E:2387088F:3482122

G:3450481H:5603613I:6602778J:8387479。

当网格数量达到560万及以上时，扬程基本保持不变，因此在本例中网格节点数选择为560万，即选择H网格。

S2：利用CFX数值模拟方法模拟非均匀入流管道泵断电过渡过程，获得非均匀入流管道泵断电过渡过程中，流量与时间、转速与时间、扭矩与时间、压力变化，具体方法如下：

S2.1：分别对三维水体计算模型中的蜗壳、叶轮、进口肘型弯管和出口直管的边界条件进行设置，具体设置为：进口肘型弯管的段面的边界条件设置为Pressure-inlet；出口直管的段面的边界条件设置为 Pressure-outlet；在进口肘型弯管和叶轮，叶轮和蜗壳，蜗壳和出口直管分别设置交界面，其中叶轮和蜗壳设置为动静交界面，其余设置为静止交界面；

S2.2：设置非均匀入流管道泵在CFX中的三维数值模拟湍流模型为SST 计算模型，壁面函数根据边界层厚度自适应选择合适的壁面函数进行模拟，所述壁面函数设置为自适应模式；

S2.3：利用正常工况下的非均匀入流管道泵先进行定常计算，再进行正常工况的非定常计算，用非定常计算结果作为非均匀入流管道泵断电过渡过程中计算的初始条件，所述定常计算是稳态计算，即计算时叶轮不转，非定常计算是叶轮在转的情况下计算；先进行定常计算是为了给非定常计算提供初始文件，不然非定常计算无法开始；

S2.4：根据角动量微分方程计算非均匀入流管道泵断电过渡过程中的叶轮转速。角动量微分方程如下：

其中，

M—转子受到的合力矩(N·m)；

J—转子转动惯量(kg·m

ω—转子角速度(rad/s)；

t—时间(s)；

将角动量微分方程进行离散差分，得到角动量差分方程并运用 Fortran语言对其进行编写，得到Fortran语言编写的程序，将正常工况下的非定常计算结果作为初始条件导入CFX软件中进行计算，在CFX软件中读取扭矩、转速和流量的节点信息；利用所述Fortran语言编写的程序调用所述节点信息计算新的转速，并将所述新的转速导入到所述CFX软件中再次进行计算；

具体方法为：将角动量微分方程进行离散差分，得到角动量差分方程并运用Fortran语言对得到的角动量差分方程进行编写，调用上一步的扭矩和转速值，根据角动量微分方程计算新的转速，用于实时更新转轮转速；

将所述正常工况下的非定常计算作为初始条件导入CFX中进行计算；在CFXSolver中读取扭矩、转速等节点信息；利用Fortran语言编写的程序，调用在CFX-Solver中读取的扭矩、转速等节点信息；再次利用Fortran 语言编程计算新的转速，并将新的转速导入到CFX中进行计算；

S2.5：重复第四步过程，一直计算直到发现扭矩一直在0左右震荡，达到一种动态平衡，此时判别为结束了非均匀入流管道泵断电过渡过程的计算。

S3：确定流量、转速、扭矩随时间的变化曲线得到非均匀入流管道泵断电过渡过程的宏观参数变化趋势的规律，具体过程如下：

S3.1：结合流量、转速、扭矩随时间的变化曲线得到宏观参数变化曲线，获得非均匀入流的管道泵断电过渡过程的动态特性为：叶轮转速和流量的关系变化规律为：正转正流阶段，正转倒流阶段，倒转倒流阶段，飞逸转速阶段；即依次经历水泵工况、制动工况、水轮机工况最后经历飞逸阶段；

S3.2：根据非均匀入流管道泵断电过渡过程中宏观参数变化曲线，获得非均匀入流管道泵动态特性为：非均匀入流管道泵在断电过程中转速n 先减小至零，后逐渐增大至飞逸转速保持不变；流量Q先正向减小后反向增大，反向增大到一定值后逐渐减小最后稳定在飞逸流量；扭矩T的变化规律呈现出与流量Q一致的规律。

S4：基于Lomb-Scargle算法分析方法对非均匀入流管道泵进行非等间隔时间步长采样的压力脉动进行分析；

通过断电过渡过程的数值模拟计算获得非均匀入流管道泵在各个部件处的流场压力脉动随时间的变化规律，获得压力脉动随时间变化的变化曲线，并基于Lomb-Scargle算法分析方法对非均匀入流管道泵进行非等间隔时间步长采样的压力脉动进行分析，Lomb-Scargle算法基本原理如下：

S4.1：设置非均匀入流管道泵的典型流域布置压力监测点。具体布置位置为：从进口肘型弯管与叶轮交界面顺时针布置三圈监测点，分别命名为IN-IM-11～17、IN-IM-21～27、IN-IM-31～37；在进口肘型弯管中心面的中轴线上布置监测点IN-1～7；在叶轮与蜗壳的交界面上布置监测点 IM-VO-1～40，其中监测点IM-VO-1为蜗壳的隔舌；

S4.2：设置非等间隔时间步长，具体设置为：在非均匀入流管道泵的断电过渡数值计算过程中，在CFX中设置时间步长为d/60n，其中所述n 为转速，d为设置的每步度数，考虑到停机过渡过程中转速从初始转速n

S4.3：对监测点进行非等间隔时间步长采样，得到压力脉动值，初步处理压力脉动值，三维瞬态计算模型进行断电过渡过程CFX计算，将CFX 计算得到的瞬态压力脉动信号p进行加权平均处理，获得瞬态压力加权平均值

S4.4：获取频谱图，通过CFX数值模拟计算获得各监测点非等间隔时间步长采样的压力脉动信号，利用Matlab对非等间隔时间步-采样的压力脉动信号C

本发明适用于非均匀入流管道泵但不限于非均匀入流管道泵，应用于各种水力机械断电过渡过程的预测及分析方法。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。