一种基于计算流体力学瞬时计算的泵站机组压力脉动预测方法

技术领域

本发明涉及一种基于计算流体力学瞬时计算的泵站机组压力脉动预测方法，属于水利工程领域。

背景技术

平原沿江地区为抗御旱、涝、洪等灾害，分布着大量低扬程防洪减灾轴流泵。沿江轴流泵运行特点是扬程低、流量大，同时由于长江潮位的变化，使得泵站经常运行至超低扬程，甚至零扬程或负扬程，在此工况下，轴流泵严重偏离设计工况，流量超出设计流量20％～30％以上，极易诱发异常水压力脉动，导致机组强烈共振，严重威胁运行安全。

为有效减少泵站机组运行过程异常水压力脉动现象的产生，防止机组产生共振，提高双向泵站机组开机安全稳定性，目前已有专利涉及相关措施：授权发明专利CN201410841794提出一种非均匀叶片式导流装置，能够最大程度地减少池内涡流、提高叶轮进口流动均匀性并且可以有效的降低压力脉动。该发明专利能够有效减少涡流，避免相同成分动静干涉频率叠加而引起谐振峰值，降低叶轮的压力脉动，提高水泵的安全稳定性，但对于大型轴流泵系统共振相关问题并未涉及。授权发明专利CN201210524582提出一种通过选择合适的活动导叶个数Zg、确定合理的导叶分布圆直径Dg和确定合理的转轮到固定边距离δ等方法，从而达到改善混流式水泵水轮机压力脉动的方法。该发明专利主要是通过确定导叶等机械部件参数的方法达到导叶后转轮前压力脉动、提高抽水蓄能机组运行稳定性的目的。但是该专利主要针对混流式水泵，且对于轴流泵压力脉动计水力共振问题并未涉及。

现有专利多采用改变过流部件参数等方法改善异常水压力脉动现象，对于大型泵站机组压力脉动的预测，提高泵站运行管理安全稳定性，无这方面专利公开。

发明内容

本发明的目的针对上述现有技术的不足，提供一种基于计算流体力学瞬时计算的泵站机组压力脉动预测方法，基于计算流体力学瞬时计算方法，采用三维建模软件对泵站机组进行等尺寸建立模型，通过数值求解方法对泵站机组模型进行多工况计算，通过设置监测点对机组特殊位置压力脉动进行有效监控采集，并对检测数据进行时频谱图分析预测，弥补物理模型试验的单一工况和不足，也为泵站机组安全稳定运行管理，避免异常压力脉动出现提供指导。

本发明的目的是这样实现的，一种基于计算流体力学瞬时计算的泵站机组压力脉动预测方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)通过三维建模软件对实际泵站机组进行数值模型的建立，在保证等尺寸的同时，也应当保证数值模型尽可能还原泵站机组原型；

(2)采用网格剖分技术对经步骤(1)建立的数值模型进行网格划分，保证整体网格质量良好有利于提高数值结果准确性；

(3)采用CFD计算软件对经步骤(2)网格划分后的数值模型进行任意一工况下定常计算，保证计算残差值收敛精度低于1.0×10^-4，以定常计算结果为基础，对数值模型进行监测点设置，监测点包括进水流道监测点、出水流道监测点、叶轮监测点、导叶监测点，并依次设置采样时间以及采样频率，对数值模型再次进行非定常计算，得到采样时间段内瞬时时刻压力数据；

(4)通过对各监测点在采样时间段内瞬时时刻压力数据的采集，采用经验模态分解算法对采集的各监测点在采样时间段内瞬时时刻压力数据中非稳态数据进行平稳化处理，然后再通过希尔伯特变化获得时频谱图，得到幅值最大处频率，即主频；

(5)通过步骤(4)采用经验模态分解算法以及希尔伯特变化得到的时频谱图得到泵站机组各监测点压力脉动振幅变化规律及大小，以及各监测点处压力脉动主频，即得到进水流道监测点处压力脉动主频、出水流道监测点处压力脉动主频、叶轮监测点处压力脉动主频、导叶监测点处压力脉动主频，有效预测对应测点实际工况中压力脉动情况，并且通过主频分析获知对应测点压力脉动影响源，避免异常压力脉动的出现；

(6)将通过经验模态分解以及希尔伯特变换后各监测点处的主频与叶轮转动频率及其叶轮转动频率倍频相对比，f表示叶轮转动频率，T表示叶轮转动1周时间；若进水流道测点主频、出水流道测点主频与叶轮转动频率抑或倍频相同或相近，则认为泵站机组处于易发生共振状态；若叶轮、导叶处主频中不含有叶轮转动频率或倍频成分，则认为泵站机组存在异常水压力脉动。

本发明方法先进科学，通过本发明，基于计算流体力学技术，采用三维建模软件对泵站机组模型进行三维等尺寸建模，通过数值模拟技术对模型进行三维非定常数值模拟，对数模结果进行压力数据采集，采用基于经验模态分解算法对压力信号进行降噪分析，经验模态分解算法可以有效过滤环境噪声，精确识别模态信息，准确判别诊断水压力脉动状态，极大提高预测效率，同时提高轴流泵机组运行稳定性等。

技术原理：三维建模软件可以在泵站设计阶段根据二维平面设计图对泵站机组进行等尺寸模型建立。网格划分软件可以根据网格尺寸将模型分解成一个个独立单元。三维数值模拟正是采用计算流体力学软件对有限多个网格单元进行数值积分求解，对数值求解结果进行处理分析。非定常计算是在三维定常数值计算基础上，对模型进行瞬时结果计算求解，可以获知某一段时间内各个时刻机组压力脉动状态，以此作为泵站机组压力脉动预测依据。

该技术主要包括以下步骤：

(1)通过三维建模软件对实际泵站机组进行数值模型的建立，在保证等尺寸的同时，也应当保证数值模型尽可能还原机组原型；

(2)采用网格剖分技术对数值模型进行网格划分，保证整体网格质量良好有利于提高数值结果准确性；

(3)采用CFD计算软件对模型进行某一工况下定常计算，保证计算残差值收敛精度低于1.0×10^-4，以定常计算结果为基础，对模型进行监测点设置，并依次设置采样时间以及采样频率，对模型再次进行非定常计算，可得到采样时间段内瞬时时刻压力数据；

(4)通过对各测点各时刻压力数据的采集，采用经验模态分解算法对非稳态数据进行平稳化处理，然后再通过希尔伯特变化获得时频谱图，得到幅值最大处频率即主频f_m。

(5)通过经验模态分解算法可以获知泵站机组各监测点压力脉动振幅变化规律及大小，并能够获知该监测点处压力脉动主频，可以有效预测该测点实际工况中压力脉动情况，并且通过主频分析可以获知该测点压力脉动主要影响源，可以避免异常压力脉动的出现。

(6)将各测点处通过经验模态分解以及希尔伯特变换后的主频与叶轮转动频率及其倍频相对比。若进出水流道测点主频与叶轮转频(叶轮转动频率)抑或倍频相同或相近，则认为机组处于易发生共振状态；若叶轮、导叶处主频中不含有叶轮转频或倍频成分，则认为机组存在异常水压力脉动。(一般泵站机组主要由进水流道、导叶、叶轮以及出水流道组成，压力脉动监测点一般选择布置在进水流道、叶轮、导叶及出水流道中用以采集压力脉动数据。步骤6中，将进水流道、叶轮、导叶及出水流道中压力脉动监测点压力脉动主频与叶轮转动频率和叶轮转动频率的倍频进行对比分析。若进出水流道测点主频与叶轮转频抑或倍频相同或相近，则认为机组处于易发生共振状态；若叶轮、导叶处主频中不含有叶轮转频或倍频成分，则认为机组存在异常水压力脉动。)

有益效果：计算流体力学计算不仅能够模拟不同流量工况下泵站机组运行流动状态及压力脉动状态，还能够计算不同叶轮角度工况下泵站机组运行状态。计算操作简便，可重复性强，准确性高，可有效弥补物理模型的不足，并能够有效预测泵站机组实际运行中压力脉动状态，提高泵站机组运行安全稳定性。经验模态分解法可以对采集到压力脉动信号进行有效降噪处理，根据本专利预测及评判方法可以有效对泵站机组进行振动状态判别，及时诊断异常水压力脉动，进而预防机组水力共振现象的发生，提高本站机组运行安全稳定性。

泵站机组压力脉动预测方法基于计算流体力学瞬时计算方法，采用三维立体建模软件对泵站机组进行等尺寸建模，通过网格划分，将三维模型导入计算流体力学软件进行主要压力脉动测点布置以及三维数值模拟计算，通过瞬时计算方法可得到机组测点实时压力脉动数据。通常计算得到的原始压力脉动信号中存在较多随机成分，所以需要对经验模态分解法原始信号进行降噪，保留振动信号特征优势频率，可以有效预测、评判泵站机组压力脉动状态，为泵站设计、运行以及管理提供指导。同时数值模拟计算可以进行多工况计算分析，可以对泵站机组所有可预期工况进行计算分析，极大提高预测效率，简单方便，成本较低。

随着南水北调沿江低扬程泵站建设实施，目前存在较多低扬程轴流泵站存在异常振动现象，因此本发明可应用和实施，取得较大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为泵站机组压力脉动预测方法流程图。

图2为经验模态分解算法的泵站水力振动评判流程图。

图3为泵站机组三维实体模型图。

图4为压力脉动原始信号示例。

图5为压力脉动经验模态分解示例。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

一种基于计算流体力学瞬时计算的泵站机组压力脉动预测方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)通过三维建模软件对实际泵站机组进行数值模型的建立，在保证等尺寸的同时，也应当保证数值模型尽可能还原泵站机组原型；

(2)采用网格剖分技术对经步骤(1)建立的数值模型进行网格划分，保证整体网格质量良好有利于提高数值结果准确性；

(3)采用CFD计算软件对经步骤(2)网格划分后的数值模型进行任意一工况下定常计算，保证计算残差值收敛精度低于1.0×10^-4，以定常计算结果为基础，对数值模型进行监测点设置，监测点包括进水流道监测点、出水流道监测点、叶轮监测点、导叶监测点，并依次设置采样时间以及采样频率，对数值模型再次进行非定常计算，得到采样时间段内瞬时时刻压力数据；

(4)通过对各监测点在采样时间段内瞬时时刻压力数据的采集，采用经验模态分解算法对采集的各监测点在采样时间段内瞬时时刻压力数据中非稳态数据进行平稳化处理，然后再通过希尔伯特变化获得时频谱图，得到幅值最大处频率，即主频；

(5)通过步骤(4)采用经验模态分解算法以及希尔伯特变化得到的时频谱图得到泵站机组各监测点压力脉动振幅变化规律及大小，以及各监测点处压力脉动主频，即得到进水流道监测点处压力脉动主频、出水流道监测点处压力脉动主频、叶轮监测点处压力脉动主频、导叶监测点处压力脉动主频，有效预测对应测点实际工况中压力脉动情况，并且通过主频分析获知对应测点压力脉动影响源，避免异常压力脉动的出现；

(6)将通过经验模态分解以及希尔伯特变换后各监测点处的主频与叶轮转动频率及其叶轮转动频率倍频相对比，f表示叶轮转动频率，T表示叶轮转动1周时间；若进水流道测点主频、出水流道测点主频与叶轮转动频率抑或倍频相同或相近，则认为泵站机组处于易发生共振状态；若叶轮、导叶处主频中不含有叶轮转动频率或倍频成分，则认为泵站机组存在异常水压力脉动。

基于计算流体力学瞬时计算的泵站机组压力脉动预测方法可在设计院设计阶段同步进行，可以对设计院设计机组结构形式进行校核优化；也可以在物理模型试验阶段，由于物理模型试验耗时长耗材多，难以对机组模型进行多工况试验，基于流体力学软件的压力脉动预测方法可以有效弥补物理实验的不足；也可以在泵站运行管理过程中，作为指导泵站安全稳定运行一种有效方式，模拟泵站实际运行工况压力脉动状态。