一种超临界离心泵多场耦合水力预测方法与流程

本发明涉及计算机辅助工程计算及多场耦合数据处理，具体为一种超临界离心泵多场耦合水力预测方法。

背景技术：

1、超临界离心泵的水力性能预测通常基于数值流体计算完成。现有方案先建立叶轮、蜗壳及进出口流道的计算域，对计算域进行网格离散，再根据进口压力、进口温度、转速及流量设置边界条件，并由物性数据库查询不同温度和压力下的密度、黏度、定压比热容及压缩系数。求解过程中，各计算单元按照质量守恒、动量守恒和能量守恒关系迭代更新压力、温度及速度，待残差收敛后，对叶轮出口压力、轴功、流量及流体能量变化进行统计，得到扬程、效率和水力载荷。为降低物性查询带来的计算量，常规方法多采用分段插值或连续拟合函数描述超临界工质热物性，并在整个计算域中使用统一的插值阶次、网格关联方式和收敛控制条件。此类处理能够反映工质状态随温度和压力变化的一般趋势，但在接近伪临界状态时，多个热物性参数的变化速率和变化方向会在较小状态区间内发生改变，统一插值和统一离散方式容易削弱局部物性跃迁，使计算所得压力梯度、速度梯度和焓通量分布偏离实际耦合状态。

2、针对温度场、压力场与流道边界之间的相互影响，现有技术还采用顺序式多场耦合计算。其一般过程为先完成流场和温度场求解，将叶轮表面的压力载荷和温度载荷映射至结构计算模型，计算叶轮或流道边界的位移，再将位移结果转换为更新后的流道几何或网格坐标，重新执行流体计算。部分方案为控制计算量，仅在若干外循环节点更新结构位移，或者将边界变化简化为固定方向的尺度修正量，并通过松弛系数将前后两轮结果进行加权。此类方案的耦合路径通常预先确定，压力、温度、速度及边界位移之间的传递关系在不同工况下保持不变，且各场数据多依赖固定网格节点逐点映射。当局部热物性发生突变时，质量通量、焓通量和压力载荷的主要传播路径会随之改变，原有映射关系仍沿固定邻接关系传递数据，容易将强突变区的局部误差扩散至相邻流道区域。顺序式外循环虽然能够修正平均流道尺度，却难以根据残差的空间来源同步调整区域边界和场间传递路径。

3、为提高多工况预测速度，现有技术还会利用已完成的数值计算结果训练水力性能代理模型。常规方案将转速、流量、进口温度和进口压力作为输入，将扬程、效率、压力脉动或径向载荷作为输出，通过回归模型、神经网络或降阶模型建立输入参数与水力结果之间的映射关系；也有方案将网格单元视为固定节点，将相邻单元之间的空间关系视为固定连接，利用图结构计算压力场、温度场和速度场。此类方法通常采用固定训练样本分布、固定图拓扑和统一损失函数，并通过总体预测误差调整模型参数。由于总体误差主要反映全计算域的平均差异，伪临界区域内占比较小但梯度较大的局部状态容易被大量平缓区域样本掩盖。即使在训练目标中加入质量守恒或能量守恒条件，常规做法也多将整体守恒差作为单一约束项，未将残差沿质量传递、能量传递和边界位移传递路径反向定位至具体区域，因而无法识别预测偏差究竟来源于热物性分区不当、跨区连接错误还是等效流道变化反馈失真。

4、面对伪临界区域内热物性参数的局部突变，仍采用固定区域、固定拓扑或统一传播关系进行多场数据计算，无法使计算域划分、场间连接关系及流道边界反馈随热物性变化同步调整。热物性突变会改变局部质量通量、焓通量和压力梯度的空间分布，固定计算关系却继续按照原有邻接路径传播压力、温度、速度和边界位移信息，使突变区域的状态被平滑处理，跨区传递又可能产生不满足通量连续性的计算结果。后续求解即使达到预设残差条件，也可能仅表现为数值迭代稳定，而局部热物性变化、等效流道变化和整体守恒关系之间仍未形成一致闭环，进而造成扬程、效率、压力脉动及水力载荷预测结果在伪临界工况附近出现系统性偏差。因此，需要解决的核心问题是如何依据热物性非线性变化动态重构多场计算关系，并利用可定位的守恒残差持续修正区域边界和耦合路径。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超临界离心泵多场耦合水力预测方法，可以解决上述背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种超临界离心泵多场耦合水力预测方法，包括：获取超临界离心泵的压力场、温度场、速度场、湍流场及等效流道变化场数据，并依据计算单元的温度和压力确定热物性参数；

4、根据所述热物性参数的梯度变化率及曲率变化率生成热物性奇异度指标，结合相邻计算单元的质量通量连续性和能量通量连续性划分为热物性平缓区、过渡区及强突变区；

5、以计算单元为节点，以质量传递、动量传递、能量传递及等效边界位移传递关系为有向边构建可变拓扑多场计算图，并按照区域类别配置特征传播关系；

6、将预测的压力载荷和温度载荷转换为等效流道尺度变化量，反馈更新所述可变拓扑多场计算图；

7、计算质量守恒残差、能量守恒残差及力矩平衡残差，将残差反向投影至各区域，根据投影结果更新区域边界和有向边连接关系，迭代输出水力预测结果。

8、优选的，所述热物性奇异度指标的生成包括：分别计算密度、动力黏度、定压比热容及压缩系数沿温度方向和压力方向的一阶变化量与二阶变化量；

9、按照各热物性参数对局部质量通量、焓通量及动量通量的敏感度，构建与所述一阶变化量和所述二阶变化量对应的权重矩阵；

10、将同一计算单元内不同热物性参数的加权变化量组成局部奇异向量，并依据相邻计算单元之间所述局部奇异向量的方向一致度生成空间连续项；

11、将所述局部奇异向量的模值与所述空间连续项联合编码为所述热物性奇异度指标；

12、依据所述热物性奇异度指标的空间极值位置生成初始区域边界，再以跨边界质量通量差和焓通量差为约束条件移动所述初始区域边界，获得所述热物性平缓区、过渡区及强突变区。

13、优选的，所述可变拓扑多场计算图的构建包括：按照超临界离心泵流道内计算单元的空间邻接关系建立基础边集合，并将穿越所述热物性平缓区、过渡区及强突变区边界的基础边标记为跨区边；

14、依据每条基础边两端计算单元的质量通量方向、焓通量方向、压力梯度方向及等效边界位移方向确定有向边方向；

15、根据所述热物性奇异度指标、局部流动马赫数、湍流各向异性特征及跨区边两端的状态差生成边特征；

16、将节点对应的压力、温度、速度、湍流特征和等效流道尺度作为节点特征，并依据区域类别配置差异化特征传播关系；

17、在区域边界更新后，保留满足通量方向一致条件的有向边，删除跨越非连续状态的有向边，并建立连接新区域边界两侧计算单元的替代有向边。

18、优选的，所述残差反向投影包括：依据超临界离心泵进口截面与出口截面的质量流量差生成质量守恒残差，依据总焓变化量、轴功输入量及流体功变化量生成能量守恒残差，依据叶轮表面压力积分结果与轴系力矩数据生成力矩平衡残差；

19、将各残差按照有向边上的质量传递份额、能量传递份额及力矩贡献份额分解为边残差分量；

20、沿所述可变拓扑多场计算图的反向有向路径将所述边残差分量累计至对应计算单元，并形成区域残差分布；

21、依据所述区域残差分布中残差梯度的主方向确定区域边界修正方向，依据残差在等效边界位移传递边上的累计比例修正相关有向边的连接权重，并基于修正后的区域边界和所述连接权重执行下一轮多场预测。

22、优选的，所述初始区域边界的移动包括：在每一初始区域边界两侧分别选取沿质量通量方向连续分布的计算单元序列，所述求解计算单元序列中的累计质量通量差、累计焓通量差及局部奇异向量方向差；

23、将所述累计质量通量差和所述累计焓通量差满足预设单调关系且所述局部奇异向量方向差发生转折的位置确定为候选边界位置；

24、对相邻候选边界位置之间的计算单元构建边界迁移带，并依据所述边界迁移带内质量通量差与焓通量差的联合最小位置移动所述初始区域边界；

25、当移动后的区域边界与强突变区内所述热物性奇异度指标的空间极值线相交时，沿所述空间极值线延伸区域边界，并将延伸后新增跨区边对应的通量方向一致度写入所述可变拓扑多场计算图。

26、优选的，所述差异化特征传播关系包括：对热物性平缓区内的节点，依据相邻节点特征的局部线性组合传播压力、温度及速度状态；

27、对强突变区内的节点，按照所述局部奇异向量的方向将相邻节点划分为顺变邻域和逆变邻域，分别建立保持热物性跃迁方向的分段非线性传播关系；

28、对过渡区内的节点，依据跨区边两端的质量通量差、焓通量差及压力梯度夹角生成界面耦合系数，并利用所述界面耦合系数融合热物性平缓区传播结果与强突变区传播结果；

29、在一次传播后，计算跨区边两端的通量偏差，将所述通量偏差分解至顺变邻域和逆变邻域并修正对应传播关系，再将修正后的节点状态写入下一传播层。

30、优选的，所述等效流道尺度变化量的反馈更新包括：将叶轮流道表面的压力载荷分布与温度载荷分布映射至对应边界计算单元，依据各边界计算单元的局部法向、曲率及载荷组合状态生成等效边界位移向量；

31、沿所述等效边界位移向量调整边界计算单元与邻接流体计算单元之间的有向边长度和边方向，并根据调整前后的局部流通面积比更新质量传递特征，根据边界法向变化量更新动量传递特征；

32、将有向边长度变化量、局部流通面积变化量及边界法向变化量组成等效流道尺度变化场，依据所述等效流道尺度变化场重新计算边界邻域内的速度梯度和压力梯度，并将重新计算的节点特征与原节点特征按照载荷映射一致度进行融合。

33、优选的，所述区域残差分布的处理包括：分别对所述热物性平缓区、过渡区及强突变区内的质量守恒残差、能量守恒残差和力矩平衡残差进行空间聚类，形成与计算单元连通关系一致的残差簇；

34、根据每一残差簇内各类残差的共线性程度确定主导残差类型，并依据所述残差簇与区域边界的交叠比例、与等效边界位移传递边的邻接比例以及流动方向的延长长度确定残差来源标签；

35、当所述残差来源标签指向区域边界时，沿所述残差簇的主轴方向移动对应区域边界；

36、当所述残差来源标签指向等效边界位移传递关系时，在重构残差覆盖范围内，按照质量通量连续性优先顺序依次执行区域边界移动和有向边重构。

37、优选的，所述空间极值线的延伸包括：以强突变区内局部极大计算单元为起始点，沿所述局部奇异向量与所述质量通量方向的加权合成方向搜索相邻计算单元，并将满足所述热物性奇异度单调下降且焓通量方向连续的计算单元依次连接形成候选极值线；

38、当所述候选极值线进入边界迁移带时，计算所述候选极值线两侧计算单元的质量通量差符号、焓通量差符号及压力梯度方向变化，保留三者变化顺序与起始点一致的线段；

39、将保留线段与移动后的区域边界进行拓扑合并，并对拓扑合并位置两侧的跨区边执行双向通量一致性检验；

40、删除未通过一致性检验的跨区边，并沿所述候选极值线的切向方向建立替代跨区边。

41、优选的，所述有向边重构包括：在所述残差簇覆盖范围内提取等效边界位移传递边及与其相邻的质量传递边、动量传递边和能量传递边，依据各类边上残差分量的传播先后关系构建局部残差路径；

42、将所述局部残差路径中残差符号连续且边界位移方向一致的有向边合并为候选重构链，将残差符号反转位置确定为候选断点；

43、根据所述候选断点两侧的质量通量连续性、焓通量连续性及力矩贡献连续性选择保留边和替代边，并将所述替代边连接至残差累计最小的邻接计算单元；

44、完成局部重构后，将各候选重构链的端点与所述可变拓扑多场计算图中的未重构有向边进行闭合连接，并重新执行残差反向投影。

45、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

46、1.根据密度、黏度、定压比热容及压缩系数相对于温度和压力的梯度变化率、曲率变化率生成热物性奇异度指标，并结合相邻计算单元的质量通量连续性和能量通量连续性，将计算域划分为热物性平缓区、过渡区和强突变区，使局部物性变化不再由统一传播关系平均处理。以计算单元为节点、以质量传递、动量传递、能量传递和等效边界位移传递关系为有向边构建可变拓扑多场计算图，可在区域边界变化后保留通量方向一致的连接，删除跨越非连续状态的连接，并建立替代连接。再将质量守恒残差、能量守恒残差和力矩平衡残差沿反向有向路径投影至对应计算单元，依据残差梯度修正区域边界及连接权重，使热物性分区、场间传播和守恒校验形成循环更新关系，由此减少伪临界区域状态被过度平滑以及跨区通量不连续引起的预测偏差。

47、2.将叶轮流道表面的压力载荷和温度载荷映射至边界计算单元，依据局部法向、曲率及载荷组合状态形成等效边界位移向量，并据此更新有向边长度、边方向、局部流通面积及边界邻域内的速度梯度和压力梯度，使流场和温度场的预测结果能够反向修正后续计算中的流道尺度关系。针对残差集中区域，通过空间聚类形成与计算单元连通关系一致的残差簇，并根据残差簇与区域边界、等效边界位移传递边的邻接关系确定修正对象，避免将全部守恒偏差平均分配至整个计算域。沿热物性奇异度空间极值线延伸区域边界，并对跨区边执行双向通量一致性检验，可保持强突变区边界与局部物性变化方向的一致性。对局部残差路径中的有向边进行保留、替代和闭合连接，可控制误差沿错误耦合路径继续传播，使扬程、效率、压力脉动及水力载荷的输出建立在更新后的多场状态和守恒关系基础上。