水冷壁热流固多场耦合仿真实测数据同化方法及系统与流程

本发明涉及锅炉受热面状态仿真与在线监测，具体为一种水冷壁热流固多场耦合仿真实测数据同化方法及系统。

背景技术：

1、大型电站锅炉水冷壁长期受炉膛高温辐射、管内汽水流动换热及管壁热膨胀约束的耦合作用，运行过程中不仅存在壁温动态变化，还会同步引发管内工质流动分配、局部压降、管壁热应变与热应力的联动变化，呈现典型的热-流-固多物理场耦合运行特性。精准掌握水冷壁多场耦合状态，是保障电站锅炉安全稳定运行的核心环节。

2、当前水冷壁状态分析手段主要依托离线数值模拟、壁温预测模型及有限测点监测数据，通过预设炉膛热边界、管内水动力条件与材料参数，求解水冷壁温度分布。该类方式虽可初步表征水冷壁受热状态，但模型边界条件与核心参数大多采用设计值、经验值或单次标定结果，无法适配机组长期运行的动态变化。实际运行中，炉膛燃烧偏斜、水冷壁结焦积灰、管内换热能力衰减、流动阻力改变及材料性能退化等因素，会使模型参数产生持续性长期偏移，传统方法无法有效捕捉该类偏移问题，导致仿真结果与实际工况存在较大偏差。

3、相关现有技术中，专利cn115374636a公开了一种锅炉数值模拟与性能计算耦合的壁温预测方法。该方法通过搭建锅炉物理模型开展数值模拟，获取壁面热流密度与壁温分布，将其作为水动力计算初始条件求解管壁温度，迭代修正模型壁温边界条件直至计算收敛，实现了数值模拟与水动力计算的耦合，有效提升了特定工况下的壁温预测精度。

4、但该方案存在明显技术缺陷，其优化仅聚焦壁温预测与水动力计算修正，修正对象局限于壁温边界条件和水动力计算结果。该方法无法区分仿真偏差源于短时工况扰动还是慢变模型参数偏移，且未结合温度、流动、结构多维度残差开展耦合分析，不能实现热边界、流动换热、结构参数等多维度偏移的物理归因。

5、综上，现有技术存在两大短板：一是实测数据利用维度单一，仅用于修正壁温及单一边界条件，无法约束热场、流场、结构场的多场耦合关系；二是无偏差分层甄别与修正机制，无法区分瞬时状态误差与长期参数偏移。盲目将短时扰动更新为模型参数，会引发模型不合理漂移；而忽略长期参数偏移、仅当作瞬时误差处理，则会大幅降低模型长期预测稳定性。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种水冷壁热流固多场耦合仿真实测数据同化方法及系统，以解决现有锅炉水冷壁仿真分析技术多场耦合约束缺失、偏差无法分层归因、参数修正机制紊乱的技术问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种水冷壁热流固多场耦合仿真实测数据同化方法，包括：

4、采集水冷壁现场实测温度数据、管内流动数据以及结构响应数据，将实测数据对应映射至热-流-固多物理场耦合仿真模型内部对应计算节点；

5、运行热-流-固多物理场耦合仿真模型，输出与实测数据匹配的温度预测值、流动状态预测值、结构响应预测值；

6、计算实测数据与对应预测值之间包含温度残差、流动残差、结构响应残差的耦合残差，对耦合残差做标准化处理；结合标准化残差持续性指标、跨物理场关联性指标，将耦合残差分层拆解为状态层残差与参数层残差；

7、依据温度残差、流动残差、结构响应残差的组合分布特征，判别参数层残差对应的偏移类型为热边界偏移、流动换热偏移或结构参数偏移，并构建残差-参数归因映射矩阵；

8、利用状态层残差修正当前同化周期内模型温度场、流场、结构场；基于参数层残差结合残差-参数归因映射矩阵，同步修正炉膛侧热边界参数、管内换热参数、流动阻力参数、材料性能参数；

9、依据热量传递一致性、管内流动连续性、结构响应一致性规则，对得到的场域修正结果、模型参数修正结果进行限幅约束；将限幅后的耦合场状态与更新后模型参数作为下一同化周期仿真初始条件。

10、优选的，将实测数据对应映射至热-流-固多物理场耦合仿真模型内部对应计算节点的具体过程为：按水冷壁炉膛方位、管排编号、标高划分独立管段区域，将各管段区域分别关联至热场、流场、结构场计算节点；温度数据匹配至热场计算节点，管内流动数据匹配至流场计算节点，结构响应数据匹配至结构场计算节点。

11、优选的，耦合残差标准化处理方式为：将温度残差、流动残差、结构响应残差整合为耦合残差向量，依据三类残差各自归一化尺度完成耦合残差向量标准化处理。

12、优选的，标准化残差持续性指标的获取及分层规则包括提取连续多个同化周期标准化残差均值、相邻周期标准化残差变化量计算残差持续性指标，根据残差持续性指标确定耦合残差分配至参数层残差的占比。

13、优选的，所述跨物理场关联性包括温度-结构一致性、温度-流动一致性、空间邻域一致性；温度-结构一致性表征温度残差与结构响应残差匹配关系，温度-流动一致性表征温度残差与管内流动异常匹配关系，空间邻域一致性表征相邻管段残差分布连续性。

14、进一步的，所述进行一致性判定前设置有效残差阈值；若标准化残差未达到有效残差阈值，则降低对应一致性指标对参数层残差分配的权重作用。

15、优选的，所述依据温度残差、流动残差、结构响应残差的组合分布特征，判别参数层残差对应的偏移类型为热边界偏移、流动换热偏移或结构参数偏移具体包括：

16、当温度残差持续同向、沿同侧炉膛或相邻管段连续分布，且流动残差未达到流动异常阈值时，判定存在热边界偏移；

17、当温度残差持续偏高，同时管内流量偏低或管路压降偏高时，判定存在流动换热偏移；

18、当温度、流动残差无法解释重复出现的结构响应残差时，判定存在结构参数偏移。

19、优选的，所述构建的残差-参数归因映射矩阵为四行三列矩阵；矩阵四行依次对应炉膛侧热边界参数、管内换热参数、流动阻力参数、材料性能参数修正方向，矩阵三列依次对应温度残差、流动残差、结构响应残差。

20、优选的，所述基于参数层残差结合残差-参数归因映射矩阵，同步修正炉膛侧热边界参数、管内换热参数、流动阻力参数、材料性能参数包括：

21、判定存在热边界偏移时，增大温度残差指向炉膛侧热边界参数的映射权重；

22、判定存在流动换热偏移时，增大温度、流动残差指向管内换热参数、流动阻力参数的映射权重；

23、判定存在结构参数偏移时，增大结构响应残差指向材料性能参数的映射权重。

24、第二方面，本发明还提供了一种水冷壁热流固多场耦合仿真实测数据同化系统，包括：

25、实测数据对齐单元，用于采集水冷壁现场实测温度数据、管内流动数据以及结构响应数据，将实测数据对应映射至热-流-固多物理场耦合仿真模型内部对应计算节点；

26、耦合仿真预测单元，用于运行热-流-固多物理场耦合仿真模型，输出与实测数据匹配的温度预测值、流动状态预测值、结构响应预测值；

27、残差分解单元，用于计算实测数据与对应预测值之间包含温度残差、流动残差、结构响应残差的耦合残差，对耦合残差做标准化处理；结合标准化残差持续性指标、跨物理场关联性指标，将耦合残差分层拆解为状态层残差与参数层残差；

28、残差归因单元，用于依据温度残差、流动残差、结构响应残差的组合分布特征，判别参数层残差对应的偏移类型为热边界偏移、流动换热偏移或结构参数偏移，并构建残差-参数归因映射矩阵；

29、双层同化单元，用于利用状态层残差修正当前同化周期内模型温度场、流场、结构场；基于参数层残差结合残差-参数归因映射矩阵，同步修正炉膛侧热边界参数、管内换热参数、流动阻力参数、材料性能参数；

30、物理一致性约束单元，用于依据热量传递一致性、管内流动连续性、结构响应一致性规则，对得到的场域修正结果、模型参数修正结果进行限幅约束；将限幅后的耦合场状态与更新后模型参数作为下一同化周期仿真初始条件。

31、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

32、本发明提供了一种水冷壁热流固多场耦合仿真实测数据同化方法，通过对热、流、固多场耦合残差进行标准化处理，并结合残差持续性与跨物理场关联性实现残差分层拆解，精准区分状态层残差与参数层残差，有效解决了现有技术多场耦合约束缺失、偏差无法分层归因、参数修正机制紊乱的技术难题。将短时负荷波动、瞬时燃烧偏斜、流量扰动等临时性工况偏差归为状态层残差，仅用于修正当前周期温度场、流场及结构场实时状态，避免短时扰动数据误更新模型参数，从根源上杜绝仿真模型出现不合理参数漂移。同时，将长期持续存在且符合热-流-固耦合规律的参数层残差精准归因于炉膛热边界、管内换热、流动阻力、材料性能等慢变参数偏移，实现模型参数的长效迭代更新，解决了传统技术长期参数偏移残留为状态误差的问题，大幅提升仿真模型对水冷壁实际运行状态的跟踪能力。

33、进一步的，本发明通过构建残差-参数归因映射矩阵匹配残差与参数偏移的对应关系，并依托多物理场物理一致性规则对修正结果进行限幅约束，保障了参数修正与场域修正过程的物理合理性与连续性，显著提升了水冷壁全场温度、管内流动及热应力状态仿真预测结果的精准度与长期稳定性。