一种氦气离心压气机相似模化与性能预测方法、装置、设备及介质

本发明涉及氦气离心压气机性能预测领域，具体涉及一种氦气离心压气机相似模化与性能预测方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、随着闭式布雷顿循环、核能动力系统及特种能源系统的发展，氦气离心压气机作为关键压缩部件，对系统循环效率、功率密度和运行可靠性具有重要影响。氦气具有分子量小、声速高、化学性质稳定等特点，适用于高温、高压和闭式循环工况，但其气动特性与常规空气工质存在明显差异，导致氦气离心压气机的压比、等熵效率及性能图谱预测具有较高难度。

2、目前，氦气离心压气机性能评估主要依赖三维数值仿真或实验测试。三维数值仿真能够获得较为详细的内部流动信息，但在多转速、多流量工况下生成完整性能图谱时计算量大、周期长，且对网格质量、边界条件和湍流模型设置较为敏感；实验测试能够提供真实性能数据，但氦气闭式循环试验系统复杂，测试成本高，目标域样本数量通常有限。因此，仅依靠氦气工质的大规模仿真或实验数据建立性能预测模型，难以满足快速设计评估和多方案筛选需求。

3、空气离心压气机已有较丰富的仿真数据、试验数据和工程经验，为氦气离心压气机性能预测提供了可迁移的数据基础。然而，空气与氦气在气体常数、比热比、密度、黏度、声速及可压缩效应方面存在差异，若直接采用空气压气机数据训练模型并用于氦气压气机预测，容易产生跨工质偏差，导致压比和等熵效率预测结果不准确。相似模化方法能够通过包括流量系数、叶轮出口圆周马赫数、参考雷诺数和无量纲质量流量在内的无量纲气动参数，折合流量、折合转速和声速折合转速等修正工况参数，以及几何相似参数建立不同工质、不同尺度压气机之间的对应关系，但实际工程中往往难以同时严格满足几何相似、运动相似、动力相似和热力相似条件，单纯依赖相似换算仍难以准确描述非线性性能偏差。

4、近年来，机器学习方法在压气机性能预测中得到应用，可以在一定程度上提高性能评估效率。但是，传统数据驱动模型通常依赖大量同分布训练样本，在氦气离心压气机目标域样本数量有限的条件下容易出现过拟合或泛化能力不足；同时，现有模型往往未充分利用空气离心压气机源域样本与氦气离心压气机目标域样本之间的相似性差异，也缺少面向跨工质迁移误差的残差修正机制。因此，如何结合相似模化准则和迁移学习方法，利用空气离心压气机源域数据与氦气离心压气机目标域数据，实现氦气离心压气机压比和等熵效率性能图谱的快速、准确预测，是本领域亟需解决的问题。

技术实现思路

1、基于上述背景技术，有必要针对氦气离心压气机目标域样本数量有限、全工况数值仿真耗时长、空气工质数据难以直接用于氦气离心压气机性能预测以及传统相似换算难以修正跨工质非线性偏差的问题，提供一种氦气离心压气机相似模化与性能预测方法、装置、设备及介质。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、本发明提出一种氦气离心压气机相似模化与性能预测方法，包括如下步骤：

4、s1：获取空气离心压气机源域样本集以及样本数量小于所述源域样本集的氦气离心压气机目标域样本集；

5、s2：基于相似模化准则构建相似模化特征，所述相似模化特征包括无量纲气动参数、修正工况参数、几何相似参数和热力修正参数；

6、s3：根据氦气离心压气机目标域样本集或目标参考工况集合计算空气离心压气机源域样本的相似性距离，并根据所述相似性距离确定空气离心压气机源域样本权重；

7、s4：基于所述空气离心压气机源域样本权重构建加权训练损失函数并训练源域性能预测模型，利用所述目标域样本集对所述源域性能预测模型进行迁移微调，并基于目标域真实性能结果与迁移微调预测结果之间的偏差训练残差修正模型，得到氦气离心压气机性能预测模型；

8、s5：将待预测氦气离心压气机工况转换为相似模化特征向量，输入所述氦气离心压气机性能预测模型，输出氦气离心压气机的压比和等熵效率性能图谱，完成性能预测。

9、优选的，所述s1具体包括：

10、s11：获取空气离心压气机源域数据，所述源域数据包括空气离心压气机的几何参数、工况参数以及对应的性能参数；

11、s12：获取氦气离心压气机目标域数据，所述目标域数据包括氦气离心压气机cfd计算数据或实验测试数据，且所述目标域数据的样本数量小于所述源域数据的样本数量；

12、s13：对所述源域数据和目标域数据进行数据清洗、异常样本剔除、工况对齐和归一化处理，形成用于模型训练的源域样本集和目标域样本集。

13、进一步地，所述几何参数包括叶轮进口直径、叶轮出口直径、叶轮出口宽度、轮毂比、叶片数、分流叶片数、叶片安装角、扩压器进口半径、扩压器出口半径或扩压器宽度中的至少一种；所述工况参数包括进口总温、进口总压、质量流量、转速、出口压力或背压中的至少一种；所述性能参数包括压比和等熵效率；

14、优选的，所述s2具体包括：

15、s21：根据空气和氦气的气体常数、比热比、动力黏度、进口总温、进口总压和参考状态参数，确定跨工质相似模化所需的热力修正参数；

16、s22：根据压气机工况参数、几何参数及当前工质物性构建无量纲气动参数和修正工况参数，所述无量纲气动参数包括流量系数、叶轮出口圆周马赫数、参考雷诺数或无量纲质量流量中的至少一种，所述修正工况参数包括折合流量、折合转速或声速折合转速中的至少一种；其中，折合流量和折合转速用于同工质性能图谱表达，无量纲质量流量和声速折合转速用于跨工质相似性度量；

17、s23：根据压气机几何参数构建叶轮直径比、叶轮出口宽度比、轮毂比、扩压器半径比、扩压器宽度比或叶片数特征中的至少一种几何相似参数；

18、s24：将所述无量纲气动参数、修正工况参数、几何相似参数和热力修正参数组合，形成相似模化特征向量。

19、优选的，所述s3具体包括：

20、s31：以目标氦气离心压气机的多个目标工况对应的相似模化特征向量构成目标参考工况集合；

21、s32：计算空气离心压气机源域样本与所述目标参考工况集合之间的标准化相似性距离，所述标准化相似性距离由相似模化特征偏差、对应尺度因子以及特征权重系数确定；

22、s33：根据所述标准化相似性距离确定空气离心压气机源域样本的相似性权重，使与所述目标参考工况集合相似程度高的源域样本在模型训练中具有更高权重；

23、s34：基于相似性加权后的空气离心压气机源域样本训练源域性能预测模型。

24、进一步地，所述源域性能预测模型通过加权训练损失函数训练，所述加权训练损失函数中每个空气离心压气机源域样本的损失项乘以由标准化相似性距离确定的相似性权重，所述源域性能预测模型的输入为相似模化特征向量，输出为压比和等熵效率。

25、优选的，所述s4中的迁移微调具体包括：

26、s41：将训练完成的源域性能预测模型作为氦气离心压气机目标域模型的初始模型；

27、s42：冻结或部分冻结所述源域性能预测模型的特征提取层，利用所述目标域样本集更新输出层、特征适配层或目标域微调层中的至少一种；

28、s43：以所述目标域样本集对应的压比和等熵效率为监督信息，对所述初始模型进行迁移微调。

29、优选的，所述s4中的残差修正模型以氦气离心压气机目标域样本的相似模化特征向量为输入，以目标域真实性能结果与迁移微调预测结果之间的压比残差和等熵效率残差为输出标签进行训练，并通过正则化约束、交叉验证、留一验证或目标域样本划分中的至少一种方式降低过拟合。

30、优选的，所述s5具体包括：

31、s51：构建氦气离心压气机在不同折合转速和不同折合流量条件下的工况输入网格；

32、s52：将所述工况输入网格转换为相似模化特征向量，并输入所述氦气离心压气机性能预测模型；

33、s53：输出不同折合转速线下的折合流量-压比曲线和折合流量-等熵效率曲线，形成氦气离心压气机性能图谱。

34、更进一步地，基于同一发明构思，本发明还提供一种氦气离心压气机相似模化与性能预测装置，所述装置包括：

35、数据获取模块，用于获取空气离心压气机源域样本集以及样本数量小于所述源域样本集的氦气离心压气机目标域样本集；

36、相似模化特征构建模块，用于基于相似模化准则构建相似模化特征，并将所述相似模化特征组合形成相似模化特征向量；

37、相似性加权模块，用于根据目标参考工况集合计算空气离心压气机源域样本的标准化相似性距离，并根据所述标准化相似性距离确定空气离心压气机源域样本权重；

38、源域模型训练模块，用于基于所述空气离心压气机源域样本权重构建加权训练损失函数，并训练源域性能预测模型；

39、迁移微调与残差修正模块，用于利用氦气离心压气机目标域样本集对所述源域性能预测模型进行迁移微调，并训练残差修正模型，得到氦气离心压气机性能预测模型；

40、性能图谱输出模块，用于基于所述氦气离心压气机性能预测模型输出压比和等熵效率性能图谱。

41、进一步地，本发明还提供一种用于实现氦气离心压气机相似模化与性能预测的计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上文中所述的一种氦气离心压气机相似模化与性能预测方法。

42、进一步地，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器调用并执行时，用于实施上文中所述的一种氦气离心压气机相似模化与性能预测方法。

43、本发明的有益效果为：

44、本发明基于空气离心压气机源域样本集和氦气离心压气机目标域样本集建立跨工质迁移预测模型，能够降低氦气离心压气机目标域样本需求；通过构建包括无量纲气动参数、修正工况参数、几何相似参数和热力修正参数的相似模化特征，可提高空气离心压气机源域与氦气离心压气机目标域之间的数据可迁移性；通过源域样本标准化相似性加权和加权训练损失，可降低低相似样本对模型训练的不利影响；通过目标域迁移微调和残差修正模型，可补偿空气工质迁移至氦气工质时产生的非线性性能偏差；通过输出压比和等熵效率性能图谱，可提高氦气离心压气机多工况性能预测效率和精度。