一种基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法与流程

本发明涉及计算机仿真，尤其涉及一种基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法。

背景技术：

1、煤粉工业锅炉及电站锅炉作为大型复杂的热工装备，其内部的煤粉燃烧过程耦合了多相流动、传热传质及剧烈的化学反应。为了实现锅炉运行状态的实时监测与优化控制，基于计算流体力学（cfd）的计算机仿真技术得到了广泛的应用。然而，传统的全尺寸高保真cfd模型计算资源消耗巨大，难以满足工业现场实时性的要求。近年来，基于本征正交分解（pod）等降阶模型与数据同化相结合的方法逐渐成为研究热点，该类方法试图利用离线构建的低维流场基函数，结合在线稀疏测点数据，实现炉膛内部三维流场的快速重构。

2、然而，现有的流场重构方法在实际工程应用中仍存在一些局限。首先，传统的全局降阶模型难以刻画炉膛内局部区域（如，燃烧器近区、燃尽风区）的高梯度物理演变，极易因空间分辨率不足而平滑掉关键的局部特征。其次，现有的数据同化重构多依赖于纯数学投影或统计插值，缺乏物理守恒规律的约束，导致重构出的流场在局部区域或交界面处常出现不满足质量、动量及能量守恒的非物理现象。此外，实际炉膛内部测点极度稀疏且存在测量噪声与烟气输运滞后，传统的同化算法在面对多源异构且不确定性强的观测数据时，难以保证重构状态的收敛性与鲁棒性，无法为燃烧器的健康诊断及运行优化提供高可信度的全场状态支撑。

技术实现思路

1、为了解决上述现有流场重构方法存在的易于平滑掉关键局部特征、缺乏物理守恒规律约束、难以保证重构状态收敛性与鲁棒性的问题，本发明提供一种基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法，包括：

4、将炉膛划分为多个重构分区，基于计算流体力学仿真快照数据，离线构建每个所述重构分区的局部降阶基；

5、按照炉膛实际测点不同传感器的物理测量原理，建立所述重构分区的全场变量与炉膛实际测点的实测值之间的观测映射关系；

6、对由所述观测映射关系与局部降阶基形成的分区可观测矩阵进行可观测性校验，校验通过后计算所述重构分区的物理残差，利用所述重构分区的物理残差和所述观测映射关系对所述局部降阶基的降阶系数进行同化更新，得到最优降阶系数，利用最优降阶系数对各重构分区进行状态重构，得到各重构分区的重构流场；

7、根据各重构分区的重构流场，输出炉膛重构流场。

8、优选的，所述的基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法中，所述将炉膛划分为多个重构分区，具体包括：

9、根据炉膛物理结构，将炉膛内部划分为多个初始分区；

10、获取离线计算流体力学仿真快照数据中的物理指标，计算各初始分区内的物理指标方差，将物理指标方差超过预设的方差阈值的初始分区拆分为多个子区；

11、计算相邻初始分区、相邻子区或初始分区与子区交界面处的通量残差，将通量残差低于预设的通量阈值的相邻初始分区、相邻子区或初始分区与子区合并，形成多个重构分区。

12、优选的，所述的基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法中，所述基于计算流体力学仿真快照数据，构建每个所述重构分区的局部降阶基，具体包括：

13、提取不同工况下的离线计算流体力学仿真快照数据中各重构分区的状态向量，基于所述状态向量构建各重构分区的局部快照矩阵；

14、计算每个重构分区在全部工况下的平均流场，并从所述快照矩阵中减去所述平均流场，得到波动快照矩阵；

15、对每个重构分区的波动快照矩阵进行奇异值分解，提取各阶奇异值对应的局部基函数作为空间模态，并确定各空间模态对应的状态演化系数，保留前n个能量占比最高的空间模态，保留的空间模态构成对应重构分区的局部降阶基。

16、优选的，所述的基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法中，所述建立所述重构分区的全场变量与炉膛实际测点的实测值之间的观测映射关系，具体包括：

17、构建炉膛多源数据坐标体系，将炉膛的cfd仿真网格、实际测点的坐标全部投影至该多源数据坐标体系中，并建立从炉膛的各重构分区到炉膛出口截面的烟气输运影响矩阵；

18、按照传感器类型分别建立观测算子，并将所述观测算子与对应重构分区的局部降阶基相乘得到分区可观测矩阵；对所述分区可观测矩阵进行可观测性校验，在满足预设可观测性条件时，通过所述观测算子将重构分区的全场变量映射为模拟观测值；

19、对于炉膛出口测点，构建驻留时间核函数，对驻留时间核函数进行时域离散化、区间积分、归一化处理，得到各历史时刻对应的离散权重系数；将上游的重构分区在各历史时刻的状态向量乘以对应的烟气输运影响矩阵，再与对应的离散权重系数进行加权求和，最终与炉膛出口测点所对应的重构分区的模拟观测值相加，映射得到当前时刻炉膛出口测点的模拟观测值。

20、优选的，所述的基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法中，计算所述重构分区的物理残差，包括：

21、构建各重构分区内部的物理控制方程，将当前降阶系数对应的重构流场代入该物理控制方程中，计算得到重构分区的内部物理残差；

22、针对相邻重构分区的交界面，计算交界面两侧物理量的通量连续性偏差，得到重构分区的边界物理残差；

23、重构分区的内部物理残差与边界物理残差共同构成重构分区的物理残差。

24、优选的，所述的基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法中，利用所述重构分区的物理残差和所述观测映射关系对所述局部降阶基的降阶系数进行同化更新，得到各重构分区的重构流场，具体包括：

25、建立包含数据偏差项和物理约束项的同化目标函数，所述数据偏差项是根据所述观测映射关系计算得到的实际测点对应的模拟观测值与实测值之间的数据拟合误差，所述物理约束项由所述重构分区的物理残差构成；

26、根据所述数据拟合误差与所述重构分区的物理残差，计算每个重构分区的门控系数，所述门控系数用于动态调节所述数据偏差项和所述物理约束项在所述同化目标函数中的权重系数；

27、利用所述门控系数更新所述权重系数，并对所述同化目标函数进行迭代求解，在每次迭代中以最小化所述同化目标函数为目标调整各重构分区的降阶系数，直至满足预设的迭代终止条件，得到各重构分区的最优降阶系数，利用最优降阶系数对各重构分区进行状态重构，得到各重构分区的重构流场。

28、进一步的，所述的基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法中，在所述得到各重构分区的重构流场之后，还包括颗粒相和气相双场耦合重构：

29、根据各重构分区的重构流场还原cfd全场网格上的三维气相流场，在还原后的cfd全场网格中应用拉格朗日随机轨道模型释放煤粉颗粒群，计算煤粉颗粒因挥发分析出、焦炭燃烧及气固曳力作用产生的质量交换源项、动量交换源项和能量交换源项；

30、将所述质量交换源项、动量交换源项和能量交换源项分别附加至气相的物理控制方程中，更新各重构分区的物理残差，将更新后的各重构分区的物理残差重新代入同化目标函数，进行降阶系数的二次修正求解；

31、如此反复交替迭代，直至相邻两次迭代之间的气相流场参数变化量小于预设的收敛容差，得到最终的炉膛重构流场。

32、优选的，所述的基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法中，在得到炉膛重构流场之后，还包括：

33、计算各重构分区的重构流场的可信度；

34、若某一重构分区的重构流场的可信度低于预设的可信度阈值，则将该重构分区标记为待复核区域，并输出异常工况诊断提示。

35、进一步的，所述的基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法中，在可信度满足要求的基础上，从最终的炉膛重构流场中，提取各燃烧器出口区域的重构特征参数，与dcs系统中给定的名义设计参数进行实时对比，计算两者之间的运行偏差值；判断该运行偏差值是否超过预设的安全报警阈值，若某一燃烧器对应的运行偏差值超过安全报警阈值，则输出煤粉输送异常或燃烧器入口边界偏差提示。

36、进一步的，所述的基于炉膛分区流场重构的煤粉燃烧仿真方法中，利用重构特征参数，构建以燃烧器的入口边界条件为自变量，以多个重构分区的物理残差平方和最小化为目标函数的反演模型；通过伴随矩阵法或遗传算法求解该反演模型，反演出实际的入口边界条件；若反演得出的实际入口边界条件与dcs系统提供的设计参数偏差超过安全阈值，则输出对应燃烧器的入口边界条件异常提示。

37、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

38、本发明通过将炉膛划分为多个重构分区并针对每个重构分区离线构建局部降阶基，将原本需要求解数十万网格节点的超高维流场计算问题转化为仅需在线求解少量降阶系数的低维优化问题，在降低在线同化求解维度的同时，使得每个分区的低维子空间均能紧致地表征该分区特有的局部流场结构，避免了传统全局单一降阶基因空间分辨率不足而平滑掉燃烧器近区、燃尽风区等高梯度区域关键流场细节的问题。通过按照不同传感器的物理测量原理建立全场变量与稀疏测点实测值之间的观测映射关系，使得模拟观测值的计算方式与实际传感器的物理响应机制相匹配，避免了将各类传感器统一简化为网格点插值所引入的模型误差，为同化更新提供了物理真实的拟合基准。通过对分区可观测矩阵进行校验，确保在稀疏测点条件下待求解的降阶系数能够被唯一稳定地确定，避免了因观测信息不足导致的同化问题欠定；在此基础上，利用物理残差和观测映射关系对降阶系数进行同化更新而非纯数学拟合，使得重构流场在拟合实测数据的同时严格遵循物理守恒规律。从而，本发明分区降阶为可观测性校验和同化更新提供了低维子空间，物理映射为同化提供了实测数据桥梁，物理残差为同化提供了守恒约束，最终实现了在计算效率、重构精度和物理保真度三个维度上的同步提升，可直接输出满足工业现场实时性要求的高可信度炉膛三维重构流场。

39、进一步的，本发明根据炉膛物理结构划分初始分区，并在此基础上依据离线仿真快照中的物理指标方差实施自适应拆分，当某一初始分区内物理指标方差超过预设阈值时表明该区域内部物理梯度大、流场结构复杂，单一降阶基不足以表征其全部流场形态，此时通过拆分为多个子区使得每个子区内的流场特征趋于单一化，从而保证后续各子区提取的局部降阶基均能以紧凑的模态数量实现高精度重构，避免了因分区内流场变化剧烈而导致降阶基逼近精度不足的问题；同时，通过计算相邻初始分区、相邻子区或初始分区与子区交界面处的通量残差，并将通量残差低于预设通量阈值的区域进行合并，使得流场特征高度一致、无需独立表征的相邻区域被合并为同一重构分区，既避免了不必要的分区细化和随之而来的在线计算负担增加，又保证了分区边界两侧的物理连续性与一致性。

40、进一步的，本发明在离线构建局部降阶基时，通过计算各分区在全部工况下的平均流场并予以扣除，获得仅反映流场脉动与工况变化的波动快照矩阵，再通过奇异值分解提取各阶奇异值对应的局部基函数作为空间模态，并按能量贡献率截断保留主要的空间模态，使得每个重构分区的低维子空间均能紧致地表征该分区特有的流场结构，在保证重构精度的前提下最大限度地降低了在线求解的自由度。

41、进一步的，本发明通过构建炉膛多源数据统一坐标体系，将cfd仿真网格与实际测点坐标投影至同一坐标系中，消除了不同数据源之间的空间位置偏差；在此基础上，按照传感器物理测量原理分别构造观测算子，使模拟观测值的计算方式与实际传感器的物理响应机制相匹配，提升了数据拟合项的物理真实性；同时，针对出口测点的烟气输运滞后问题，构建了融合按传感器物理原理建立的观测算子与时间驻留核函数的动态时滞观测映射关系，通过烟气输运影响矩阵和驻留时间核函数，定量刻画上游主燃区历史状态对下游出口测点当前观测值的时空累积与延迟影响，理顺上下游变量之间的因果时滞关系，保证动态工况下同化算法的收敛性。

42、进一步的，本发明通过将当前重构流场代入各分区内部的物理控制方程计算内部物理残差，并计算相邻分区交界面的通量连续性偏差作为边界物理残差，共同构成完整的物理残差项，使得同化更新过程中重构流场在拟合稀疏测点数据的同时严格遵循质量、动量、能量及组分守恒规律，消除了分区边界处的数值跳跃与非物理斑图，提升了重构流场的物理保真度。

43、进一步的，本发明构建了融合数据偏差项和物理约束项的同化目标函数，并通过门控系数根据数据拟合误差与物理残差的相对大小动态调节数据偏差项与物理约束项在同化目标函数中的权重系数，实现了抗噪鲁棒的同化更新，有效避免了因测量噪声导致的同化发散问题。

44、进一步的，本发明在完成气相流场重构后，通过拉格朗日随机轨道模型计算煤粉颗粒因挥发分析出、焦炭燃烧及气固曳力产生的质量、动量和能量交换源项，并将源项反馈至气相物理控制方程中进行降阶系数的二次修正求解，通过气相场与颗粒相场的交替迭代实现多相强耦合燃烧过程的双场同步重构，使得重构流场能够准确反映煤粉颗粒与气相之间的动量、能量和质量传递，进一步提升了重构结果对真实燃烧过程的表征能力。

45、进一步的，本发明通过对各重构分区重构流场的可信度进行量化评估，并在可信度低于预设阈值时将对应分区标记为待复核区域并输出异常工况诊断提示，避免了因当前工况显著偏离离线快照工况空间时输出不可靠重构流场，保证了重构结果的可靠性和工程可用性。

46、进一步的，本发明利用重构流场提取各燃烧器出口区域的重构特征参数，与dcs名义设计参数实时对比并计算运行偏差值，当运行偏差值超限时输出煤粉输送异常或入口边界偏差提示，为锅炉燃烧器的健康诊断提供了具体、可操作的量化依据。

47、进一步的，本发明进一步构建以燃烧器入口边界条件为自变量、以多分区物理残差平方和最小化为目标函数的反演模型，通过伴随矩阵法或遗传算法反演实际入口边界条件，能够定量识别入口速度偏差、煤粉浓度偏差或粒径偏置异常，并将反演偏差用于给煤量、一次风量等调节指令的补偿修正，实现了从流场重构到异常诊断再到闭环优化控制的完整技术链条。