一种倾斜条件下系统分析程序相界面高度修正方法

本发明具体涉及一种倾斜条件下系统分析程序相界面高度修正方法，属于浮动平台热工水力安全分析和系统程序开发。

背景技术：

1、浮动发电平台，在海洋环境中受起伏、倾斜、摇摆等运动影响，其热工水力特性及安全系统的运行特性可能出现波动，严重时威胁系统安全。

2、目前系统级热工水力程序主要依托竖直重力方向构建标高数值体系，具体是依靠节点液位标高刻画控制体内气液相界面空间位置。因浮动能源平台长期处于海洋复杂海况工况，平台本体持续发生横摇纵倾位移变化。原有仿真模型预设设备保持水平布置状态，无法实时捕捉船体姿态变动带来流道空间倾角偏移特征。海况扰动持续改变回路冷热介质流动驱动力分布，模型预设边界条件与工程实际运行工况出现很大的不适配偏差。

3、目前适配的自然循环驱动机制具备窄裕度运行特征，系统级热工水力程序大多依靠冷热介质密度差异构筑循环动力源，循环驱动力数值区间贴近管路流动阻力量级。外部工况出现小幅波动便会扰动流动发展进程。全域流动特性对边界扰动敏感度偏高，系统自身抗干扰能力偏弱。各类工况扰动持续叠加后，容易出现换热流动偏离设计目标的运行现象。

4、设备热力边界条件持续动态演变中传统分析模型普遍采用稳态求解思路，默认系统各项关键参数长期保持恒定水平。模型无法完整表征服役全过程参数演化规律，推演结果难以贴合真实工程运行状态。而目前分析体系缺少全域动态耦合求解架构，已有常规可靠性评估手段建立于静态载荷模型框架之下。各类热工流动载荷、设备结构老化效应相互独立开展计算分析。多物理场演变规律未能开展一体化耦合求解。研究体系缺少能够同步耦合海洋摇摆条件、介质流动演化、设备性能衰减的完整分析框架。各类演变因素之间的内在关联难以量化表征，评估结论存在局限性。

5、总之，现有热工水力计算仅适配竖直工况；设备处于倾斜状态下，模型将产生液位及相态判别失真的缺陷，难以适配实际运行环境、适配恶劣、极限等环境下根据倾斜姿态、液相物性和控制体几何信息对相界面高度对应形成适配的精准修正方式。

技术实现思路

1、为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种倾斜条件下系统分析程序相界面高度修正方法，以解决上述问题。

2、一种倾斜条件下系统分析程序相界面高度修正方法，以等效圆柱形控制体为研究对象，通过对等效圆柱形控制体的轴线与全局竖直方向的夹角量化倾斜姿态控制对应计算无量纲修正参数；利用无量纲修正参数建立倾斜重力场下的自由液面方程，通过自由液面方程依据液柱高度范围得到有效液柱高度函数，通过有效液柱高度函数与优化后辛普森积分算法相结合构建关于相界面高度参数的体积函数，最终通过对体积函数求解得到的相界面高度参数后依据对各采样点的相界面高度参数和状态判别参数的计算完成区分液相区、气相区和相界面区域划定下的全域相态的精细化修正处理过程。

3、作为优选方案：控制体轴线竖直夹角量化倾斜姿态并构建无量纲修正参数的过程为在系统级热工水力分析程序中，以待修正控制体为对象，读取或生成控制体等效直径d、高度h、液相体积、控制体中心或底面参考点坐标、采样点坐标以及倾斜姿态参数；

4、对于等效圆柱体形控制体，定义半径r=d/2；以控制体轴线与全局竖直方向夹角表征控制体倾斜程度，对应的计算公式为：

5、

6、当时，c=1、s=0，方法退化为常规竖直圆柱控制体液位计算。

7、作为优选方案：利用无量纲修正参数建立倾斜重力场下的自由液面方程的过程为建立控制体局部坐标系，轴沿控制体轴线由底部指向顶部，轴位于倾斜平面内并垂直于轴；倾斜条件下自由液面近似垂直于等效重力方向，在平面内的方程为：

8、

9、上式中，为待求解的带符号相界面高度参数；

10、给定h时，横向坐标处的液柱高度的计算公式为：

11、

12、采用截断函数对液柱高度进行范围限制处理，得到有效液柱高度：

13、

14、上式中，截断函数的公式为：

15、。

16、作为优选方案：通过有效液柱高度函数与优化后辛普森积分算法相结合构建关于相界面高度参数的体积函数的过程为：

17、横向坐标处的圆柱截面宽度为，给定h时的液相体积计算公式为：

18、

19、代入有得：

20、

21、当控制体液相体积为时，待求解的高度h满足方程：

22、

23、液相体积有效范围为；

24、当=0时，对应表明控制体为空状态；

25、当时，对应表明控制体为满液状态。

26、作为优选方案：构建关于相界面高度参数的体积函数的过程中，优化后辛普森积分算法的过程为：

27、数值积分实现：采用simpson积分计算体积函数，将积分区间[-r，r]等分为偶数n段，定义第段横向坐标，段长，

28、积分核函数的计算公式为：

29、

30、则体积函数近似计算公式为：

31、

32、通过变量代换、优化数值稳定性，体积积分的公式为：

33、。

34、作为优选方案：通过得到的体积函数，采用二分法求解相界面高度参数的过程为：

35、固定控制体参数r、h、c、s，基于体积函数的连续单调递增特性，采用二分法求解；

36、迭代初始区间的表达式为，

37、每次迭代计算中间高度；

38、当时，令；当<0时，令；满足；

39、或时停止迭代，取；

40、上式中，为体积容差，为高度容差。

41、作为优选方案：通过对体积函数求解得到的相界面高度参数后，依据对各采样点的相界面高度参数和状态判别参数的计算过程为：

42、局部相界面高度与浸没状态修正：针对任意采样点j，根据其横向坐标、轴向坐标，计算局部相界面轴向高度的计算公式为：

43、

44、定义状态判别参数的计算公式为：

45、

46、根据判别采样点状态：时，采样点j处于液相区；时，采样点j处于气相区；

47、时，采样点j位于相界面附近区域，为误差限。

48、作为优选方案：依据对各采样点的相界面高度参数和状态判别参数的计算完成区分液相区、气相区和相界面区域划定下的全域相态的精细化修正处理过程为：

49、程序耦合计算：将方法作为热工水力系统分析程序的几何修正子模块，每个时间步执行对应的操作步骤为：

50、第一步：从主程序读取控制体液相体积、几何参数和倾斜姿态；

51、第二步：调用体积函数积分模块计算给定下的v(h)；

52、第三步：调用二分求根模块求解满足体积守恒的；

53、第四步：对各流道连接点调用局部相界面高度计算模块，得到；

54、第五步：将修正后的连接点浸没状态和局部液位返回热工水力程序主求解器；

55、第六步：主程序求解器更新流道相态判断、有效静压头和流动驱动力；主程序按时间步长递进，下次调用子模块前更新控制体液相体积、倾斜姿态。

56、作为优选方案：触发自适应退化计算的过程为：

57、海洋运动模块关闭或时，方法自动退化为静止竖直条件下的常规液位计算，此时体积函数为，当时，液位高度计算公式为。

58、本发明的有益效果在于：

59、本发明为在基本保持原程序求解框架的前提下，能够根据倾斜姿态、液相物性和控制体几何信息对相界面高度进行精准对应修正的规范方法，为后续流道静压头修正、连接点相态判断及海洋条件附加力的引入提供几何基础。

60、本发明具体是在倾斜条件下控制体相界面高度计算转化为满足液体体积守恒的一维非线性方程的完整处理过程，整个方法计算过程中物理约束清晰，数值稳定，无需重构原系统级程序框架，以中间模块形式嵌入，降低开发工作量，便于二次开发；为浮动动力装置、船用动力和海洋平台系统在倾斜条件下的自然循环、破口排放、抑压水池液位响应及静压头修正提供精准的基础数据。本发明采用体积函数单调性、二分求根和simpson积分方法，避免牛顿法初值敏感与不收敛风险，尤其适配于 fortran、c/c++、matlab、python或其他同类的工程计算环境中。