泵内颗粒流动堵塞仿真预测及设计优化方法、装置与流程

本技术涉及仿真设计，具体而言，涉及一种泵内颗粒流动堵塞仿真预测及设计优化方法、装置。

背景技术：

1、泵类设备在污水排放、河道清淤、矿浆输送等场景中常用于输送含固液两相介质。此类介质中固体颗粒粒径分布范围较宽，多数细小颗粒能够随液相通过泵内过流通道，但粒径分布尾部的少量大颗粒在叶轮入口、叶片间流道喉部、叶轮出口至蜗壳过渡区以及蜗壳隔舌附近等局部区域，易因短时间内集中到达而形成临时架桥，导致通流面积急剧减小，进而引发偶发性堵塞、流量波动和效率下降。

2、现有泵防堵设计多依据最大可通过粒径、单一代表粒径或经验放大过流截面进行判断，能够在一定程度上反映颗粒通过能力，但难以表征粒径分布尾部大颗粒的随机到达特性，也难以评价多个粗颗粒在同一局部区域内近同时占位所产生的堵塞风险，部分数值模拟方法虽可分析固液两相流动过程，但通常计算量较大，且在设计阶段难以与流道几何参数优化形成稳定、高效的闭环。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种泵内颗粒流动堵塞仿真预测及设计优化方法、装置，以至少解决如前所述相关技术中存在的部分技术问题。

2、根据本技术实施例第一方面，提供了一种泵内颗粒流动堵塞仿真预测及设计优化方法，包括：

3、将固体颗粒按分界粒径分为细颗粒和粗颗粒，细颗粒与基础液体合并为拟流体，粗颗粒粒径分布尾部区间分为若干粒径组，得到各粒径组的体积频率和等效横向占位宽度；

4、根据粗颗粒体积分数和设计流量计算粗颗粒到达频率，按各粒径组体积频率采样生成颗粒包时间序列，颗粒包包含等效横向占位宽度与进入时刻；

5、计算拟流体在各关键过流区域的局部流速，以各关键过流区域主流方向长度与局部流速之比为停留时间并作为时间窗口，计算各颗粒包到达各关键过流区域的时刻，统计各时间窗口内颗粒包的等效横向占位宽度之和，以各关键过流区域最窄通流宽度减去该宽度之和为剩余通流宽度，取剩余通流宽度与最窄通流宽度之比为剩余通流比例；

6、由各关键过流区域的剩余通流比例分布计算架桥概率，按架桥概率排序识别高风险区域，以高风险区域的流道几何参数为优化变量，在扬程和效率满足约束下调整流道几何参数使架桥概率低于预定目标值。

7、作为一种可选的方案，所述粗颗粒粒径分布尾部区间的确定方式为：对各关键过流区域分别提取最窄通流宽度，在粗颗粒粒径累计分布曲线上确定粒径与该最窄通流宽度之比达到预定通流影响比的起始粒径，将该起始粒径以上的粒径范围作为所述尾部区间；所述通流影响比为单个颗粒等效直径与关键过流区域最窄通流宽度之比达到对通流截面产生占位效应的下限值。

8、作为一种可选的方案，所述等效横向占位宽度由各粒径组的等效粒径与形状系数的乘积得到；所述等效粒径为粒径组内颗粒按体积加权的平均粒径；所述形状系数为颗粒在流道横截面方向上最大外廓尺寸与等效球直径之比；当无形状实测数据时，形状系数取1.0。

9、作为一种可选的方案，所述按各粒径组体积频率采样生成颗粒包时间序列包括：将叶轮一个旋转周期按叶片数等分为若干角度区间，对每个角度区间和每个粒径组，根据粗颗粒总体积流量、该粒径组体积频率、该粒径组等效粒径对应的单颗粒体积、旋转周期和叶片数计算该粒径组在该角度区间内的预期颗粒个数，以该预期颗粒个数为参数按泊松分布抽样得到实际颗粒个数，对每个颗粒在对应角度区间的时间段内随机生成进入时刻，对多个连续旋转周期重复上述过程得到所述颗粒包时间序列。

10、作为一种可选的方案，所述由各关键过流区域的剩余通流比例分布计算架桥概率包括：将各关键过流区域在全部采样周期内得到的剩余通流比例按数值排列，统计剩余通流比例低于预定通流下限比例的采样窗口个数占全部采样窗口总数的比值，该比值作为对应关键过流区域的架桥概率。

11、作为一种可选的方案，所述调整流道几何参数包括：在优化变量取值空间内生成初始样本点，对每个样本点分别执行粒径分组、颗粒包时间序列生成、同时占位统计和架桥概率计算得到训练数据，以训练数据构建代理模型，代理模型的输入包括流道几何参数、粗颗粒尾部粒径分布参数、粗颗粒体积分数、设计流量和转速，代理模型的输出包括架桥概率预测值和扬程预测值，利用代理模型迭代搜索满足架桥概率低于预定目标值的流道几何参数组合。

12、作为一种可选的方案，所述代理模型采用高斯过程回归方法构建，训练时将质量守恒约束和最小过流面积约束嵌入高斯过程回归模型的均值函数先验。

13、作为一种可选的方案，所述流道几何参数包括叶轮入口宽度、叶片进口边厚度、叶片进口安放角、叶片间流道最窄宽度、前盖板型线曲率、后盖板型线曲率和蜗壳隔舌附近过流面积沿周向变化率中的至少两个。

14、作为一种可选的方案，所述关键过流区域包括叶轮入口区段、叶片间流道喉部区段、叶轮出口至蜗壳过渡区段和蜗壳隔舌附近区段中的至少两个。

15、根据本技术实施例的第二方面，还提供一种泵内颗粒流动堵塞仿真预测及设计优化装置，包括：

16、颗粒划分与参数确定模块，用于将固体颗粒按分界粒径分为细颗粒和粗颗粒，细颗粒与基础液体合并为拟流体，粗颗粒粒径分布尾部区间分为若干粒径组，得到各粒径组的体积频率和等效横向占位宽度；

17、颗粒包序列生成模块，用于根据粗颗粒体积分数和设计流量计算粗颗粒到达频率，按各粒径组体积频率采样生成颗粒包时间序列，颗粒包包含等效横向占位宽度与进入时刻；

18、剩余通流比例计算模块，用于计算拟流体在各关键过流区域的局部流速，以各关键过流区域主流方向长度与局部流速之比为停留时间并作为时间窗口，计算各颗粒包到达各关键过流区域的时刻，统计各时间窗口内颗粒包的等效横向占位宽度之和，以各关键过流区域最窄通流宽度减去该宽度之和为剩余通流宽度，取剩余通流宽度与最窄通流宽度之比为剩余通流比例；

19、堵塞风险识别与优化模块，用于由各关键过流区域的剩余通流比例分布计算架桥概率，按架桥概率排序识别高风险区域，以高风险区域的流道几何参数为优化变量，在扬程和效率满足约束下调整流道几何参数使架桥概率低于预定目标值。

20、本技术通过将细颗粒并入拟流体处理，并对粗颗粒粒径分布尾部进行分组和等效横向占位计算，使堵塞预测重点落在实际影响通流截面的少量大颗粒上，避免仅以单一代表粒径评价通过能力所造成的偏差；同时，根据粗颗粒到达频率生成颗粒包时间序列，并以各关键过流区域的物理停留时间作为统计窗口，能够反映多个粗颗粒在叶轮入口、叶片间流道喉部、叶轮出口至蜗壳过渡区及蜗壳隔舌附近等区域近同时占位形成架桥的风险。通过剩余通流比例分布计算架桥概率并识别高风险区域，可将偶发堵塞风险转化为可比较、可约束的设计指标；在此基础上，以相关流道几何参数为优化变量，并结合扬程、效率等约束进行设计调整，有利于在保证泵水力性能的前提下降低堵塞发生概率，为含固液两相介质输送泵的防堵设计提供可靠依据。

21、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的，并不能限制本公开。此外，本公开中的任一实施例并不需要达到上述的全部效果。