轴流泵叶片水力阻尼的预测方法及系统
阅读：2发布：2020-05-31
专利汇可以提供轴流泵叶片水力阻尼的预测方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 实施例 提供了一种轴流 泵 叶片 水 力 阻尼的预测方法及系统，方法包括：分别建立轴流泵叶片的结构场模型及 叶轮 流道的流场模型，并确定结构场计算网格和流场计算网格；对轴流泵叶片进行模态分析，确定静水 中轴 流泵叶片的振型和第一阶模态固有 频率 ；对轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，并确定动水中轴流泵叶片的结构振动响应；对结构振动响应进行滤波处理，得到动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，并确定轴流泵叶片的水力阻尼比。可以通过本发明实施例中提供的预测方法较为准确的预测出轴流泵叶片的水力阻尼比，进而确定水力阻尼，从而可以最大程度的防止水力机械疲劳破坏，提高水力机械运行的 稳定性 。，下面是轴流泵叶片水力阻尼的预测方法及系统专利的具体信息内容。
1.一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法，其特征在于，包括：
S1，对轴流泵叶片及叶轮流道分别进行三维结构场建模和三维流场建模，分别对得到的结构场模型和流场模型进行网格划分，并确定结构场计算网格和流场计算网格；
S2，基于所述结构场计算网格和所述流场计算网格，对所述轴流泵叶片进行模态分析，确定静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率；
S3，基于所述振型和静水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，对所述轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，并确定动水中所述轴流泵叶片的结构振动响应；
S4，对所述结构振动响应进行滤波处理，以得到动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，并基于所述结构振动响应的峰值和动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，确定所述轴流泵叶片的水力阻尼比。
2.根据权利要求1所述的轴流泵叶片水力阻尼的预测方法，其特征在于，所述S1中分别对得到的结构场模型和流场模型进行网格划分后，分别得到多套结构场网格以及多套流场网格；
相应地，所述确定结构场计算网格和流场计算网格，具体包括：
通过基于网格收敛指数GCI的理查森外推法对多套流场网格进行筛选，以所述轴流泵叶片的尾部旋涡脱落频率作为关键参数，分别在不同流速下对多套流场网格进行非定常流场计算，根据每套流场网格对应的网格收敛性指数、收敛精度以及误差棒，从多套流场网格中筛选出所述流场计算网格；
将水等效为声流体，采用直接耦合求解中的声流体方法，在静水中对所述轴流泵叶片进行模态分析，对多套结构场网格进行筛选，以空气中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率作为关键参数，从多套结构场网格中筛选出所述结构场计算网格。
3.根据权利要求1所述的轴流泵叶片水力阻尼的预测方法，其特征在于，所述S2具体包括：
选取预设结构场模型和预设声流场模型分别模拟所述结构场模型和所述流场模型，并基于所述结构场计算网格和所述流场计算网格，在ANSYS APDL中对静水中所述轴流泵叶片进行模态分析；
基于声流体求解方法直接耦合求解得到静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率。
4.根据权利要求1所述的轴流泵叶片水力阻尼的预测方法，其特征在于，所述S3之前还包括：
基于静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率，确定预设激励形式，以所述预设激励形式激励所述轴流泵叶片的第一阶弯曲模态；所述预设激励形式包括激励力的预设作用时长和激励时间步长；
基于预设边界条件，对所述流场模型进行定常流场计算，并以定常流场计算的结果作为初始条件、基于所述预设作用时长和所述激励时间步长进行所述流场模型的非定常流场计算，直至所述轴流泵叶片尾部受到的压力周期性变化。
5.根据权利要求4所述的轴流泵叶片水力阻尼的预测方法，其特征在于，所述S3具体包括：
基于所述预设作用时长、所述激励时间步长和预设数值阻尼，对所述结构场模型进行瞬态动力学分析，得到所述结构场模型的网格变形形式，并将非定常流场计算的结果作为初始文件对所述流场模型进行数值计算；
通过所述结构场模型和所述流场模型之间的流固耦合面将所述结构场模型的网格变形形式以及所述流场模型的数值计算结果进行双向传递，获取所述流场模型的动网格变形结果；
根据所述动网格变形结果确定动水中所述轴流泵叶片的结构振动响应。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的轴流泵叶片水力阻尼的预测方法，其特征在于，所述S4中对所述结构振动响应进行滤波处理，以得到动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，具体包括：
将所述结构振动响应的时域结果进行快速傅里叶变换，确定所述结构振动响应的频域结果；
基于滤波函数，滤除所述结构振动响应的频域结果中的旋涡脱落频率，得到动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的轴流泵叶片水力阻尼的预测方法，其特征在于，所述S4中基于所述结构振动响应的峰值和动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，确定所述轴流泵叶片的水力阻尼比，具体包括：
基于所述结构振动响应的峰值与动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率之间的对应关系，采用对数衰减法进行拟合，确定拟合得到的拟合函数中时间参数的系数；
基于所述时间参数的系数，确定所述轴流泵叶片的水力阻尼比。
8.一种轴流泵叶片水力阻尼的预测系统，其特征在于，包括：
建模模块，用于对轴流泵叶片及叶轮流道分别进行三维结构场建模和三维流场建模，分别对得到的结构场模型和流场模型进行网格划分，并确定结构场计算网格和流场计算网格；
模态分析模块，用于基于所述结构场计算网格和所述流场计算网格，对所述轴流泵叶片进行模态分析，确定静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率；
结构振动响应确定模块，用于基于所述振型和静水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，对所述轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，并确定动水中所述轴流泵叶片的结构振动响应；
水力阻尼比确定模块，用于对所述结构振动响应进行滤波处理，以得到动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，并基于所述结构振动响应的峰值和动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，确定所述轴流泵叶片的水力阻尼比。
9.一种轴流泵叶片水力阻尼的预测设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1-7中任一项所述的方法。
轴流泵叶片水力阻尼的预测方法及系统
技术领域
背景技术
[0002] 在水力机械运行过程中，普遍存在着不同程度的流激振动现象，容易导致疲劳破坏甚至产生裂痕，影响水力机械的安全稳定运行。阻尼效应是一种能量耗散现象，可抑制水力机械的结构振动幅值。阻尼一般包括水力阻尼、结构阻尼和材料阻尼。在高速湍流条件下，水力阻尼远大于其他阻尼，可以有效抑制水力机械的振动幅度并提高其运行稳定性。水力阻尼比是表征水力阻尼特性的关键参数，精确的预测水力阻尼比对于评估水力机械的疲劳寿命及其运行稳定性有着重要的作用。
[0003] 水力机械中的轴流泵由于具有流量大、扬程低、结构简单、占地面积小等优点，在大面积农田灌溉和调水工程等领域中具有广泛的应用。目前已有许多学者针对水翼模型进行了水力阻尼特性进行试验研究，然而对于结构复杂且旋转的水力机械如轴流泵，难以通过实验的方法得到其水力阻尼比，也就无法对轴流泵进行水力阻尼特性的研究。
发明内容
[0005] 为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供了一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法及系统。
[0006] 一方面，本发明实施例提供了一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法，包括：
[0008] S2，基于所述结构场计算网格和所述流场计算网格，对所述轴流泵叶片进行模态分析，确定静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率；
[0009] S3，基于所述振型和静水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，对所述轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，并确定动水中所述轴流泵叶片的结构振动响应；
[0010] S4，对所述结构振动响应进行滤波处理，以得到动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，并基于所述结构振动响应的峰值和动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，确定所述轴流泵叶片的水力阻尼比。
[0011] 另一方面，本发明实施例提供了一种轴流泵叶片水力阻尼的预测系统，包括：
[0012] 建模模块，用于对轴流泵叶片及叶轮流道分别进行三维结构场建模和三维流场建模，分别对得到的结构场模型和流场模型进行网格划分，并确定结构场计算网格和流场计算网格；
[0013] 模态分析模块，用于基于所述结构场计算网格和所述流场计算网格，对所述轴流泵叶片进行模态分析，确定静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率；
[0014] 结构振动响应确定模块，用于基于所述振型和静水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，对所述轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，并确定动水中所述轴流泵叶片的结构振动响应；
[0015] 水力阻尼比确定模块，用于对所述结构振动响应进行滤波处理，以得到动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，并基于所述结构振动响应的峰值和动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，确定所述轴流泵叶片的水力阻尼比。
[0016] 本发明实施例提供的轴流泵叶片水力阻尼的预测方法及系统，通过建立轴流泵叶片的结构场模型和流场模型，并进行网格划分，确定结构场计算网格和流场计算网格；基于结构场计算网格和流场计算网格，对轴流泵叶片进行模态分析，确定静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率；基于振型和静水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，对轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，并确定动水中轴流泵叶片的结构振动响应；对结构振动响应进行滤波处理，得到动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，并基于结构振动响应的峰值和动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，确定轴流泵叶片的水力阻尼比。可以通过本发明实施例中提供的预测方法较为准确的预测出轴流泵叶片的水力阻尼比，进而确定水力阻尼，从而可以最大程度的防止水力机械疲劳破坏，提高水力机械运行的稳定性。附图说明
[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018] 图1为本发明实施例提供的一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法的流程示意图；
[0019] 图2(a)为本发明实施例提供的一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法中轴流泵叶片的结构场模型示意图；
[0020] 图2(b)为本发明实施例提供的一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法中计算域示意图；
[0021] 图3(a)为本发明实施例提供的一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法中轴流泵叶片前缘附近的流场网格示意图；
[0022] 图3(b)为本发明实施例提供的一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法中轴流泵叶片尾缘附近的流场网格示意图；
[0023] 图4为本发明实施例提供的一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法中结构场网格示意图；
[0024] 图5为本发明实施例提供的一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法中激励位置示意图；
[0025] 图6为本发明实施例提供的一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法中得到的结构振动响应示意图；
[0026] 图7为本发明实施例提供的一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法中确定的轴流泵叶片在动水中的第一阶模态固有频率的曲线图；
[0027] 图8为本发明实施例提供的一种轴流泵叶片水力阻尼的预测系统的结构示意图。
具体实施方式
[0028] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029] 目前在水力机械运行过程中，普遍存在着不同程度的流激振动现象，容易导致疲劳破坏甚至产生裂痕，影响水力机械的安全稳定运行。通常采用水力阻尼来抑制水力机械的振动幅度并提高水力机械运行的稳定性。而由于水力阻尼比是表征水力阻尼特性的关键参数，精确的预测水力阻尼比对于评估水力机械的疲劳寿命及其运行稳定性有着重要的作用。所以本发明实施例中提供了轴流泵叶片水力阻尼的预测方法及系统，旨在提供一种可以确定轴流泵叶片的水力阻尼比的方法，进而可以直接采用水力阻尼比预测轴流泵叶片的水力阻尼。
[0030] 如图1所示，本发明实施例提供了一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法，包括：
[0031] S1，对轴流泵叶片及叶轮流道分别进行三维结构场建模和三维流场建模，分别对得到的结构场模型和流场模型进行网格划分，并确定结构场计算网格和流场计算网格；
[0032] S2，基于所述结构场计算网格和所述流场计算网格，对所述轴流泵叶片进行模态分析，确定静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率；
[0033] S3，基于所述振型和静水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，对所述轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，并确定动水中所述轴流泵叶片的结构振动响应；
[0034] S4，对所述结构振动响应进行滤波处理，以得到动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，并基于所述结构振动响应的峰值和动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，确定所述轴流泵叶片的水力阻尼比。
[0035] 具体地，本发明实施例中首先针对轴流泵叶片及叶轮流道建立两个三维模型，一种是针对轴流泵叶片这一实体进行的三维结构场建模，一种是针对叶轮流道(即轴流泵叶片周围流场)进行的三维流场建模，分别得到结构场模型和流场模型。
[0036] 在建模过程中，首先根据轴流泵叶片总数将叶轮流道进行等分，取其中一个轴流泵叶片对应的叶轮流道作为计算域，然后分别对轴流泵叶片实体和轴流泵叶片周围流场进行三维建模。其中，确定计算域的方法如下：如图2所示，图2(a)为轴流泵叶片的结构场模型示意图，图2(b)为计算域示意图。图2(a)中的结构场模型21包括轴流泵叶片尾缘22和轴流泵叶片前缘23；轴流泵叶片沿伸展方向一端固定在轮毂24上，另一端为自由端。图2(b)中将计算域的进出水流道延长，计算域的进口端25延长至与轴流泵叶片前缘23距离为2.5倍弦长的位置，计算域的出口端26延长至与轴流泵叶片尾缘22距离为4倍弦长的位置。其中，弦长为轴流泵叶片前缘23和轴流泵叶片尾缘22之间的距离，例如弦长L＝150mm，伸展方向宽度w＝100mm，轴流泵叶片尾缘区域的厚度d＝3.22mm；将计算域的进出水流道延长，计算域的进口端25延长至与轴流泵叶片前缘23距离为375mm的位置，计算域的出口端26延长至与轴流泵叶片尾缘22距离为600mm的位置。
[0037] 通过建模得到结构场模型和流场模型后，分别对得到的结构场模型和流场模型进行网格划分，这里需要说明的是，由于在进行网格划分时不同的划分标准以及选取不同的参数，均会对得到的网格的质量产生影响。所以此处可以在网格划分时划分出多套网格，并从多套网格中确定出分别适用于研究结构场模型和流场模型的结构场计算网格和流场计算网格。
[0038] 确定结构场计算网格和流场计算网格后，根据得到的这两种计算网格对轴流泵叶片进行模态分析，确定静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率。需要说明的是，此处“静水中”是指未对轴流泵叶片施加激励力，轴流泵叶片未转动，而且轴流泵叶片周围的流体(本发明实施例中是指水)是静止的。这里需要说明的是，本发明实施例中确定的静水中或动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率均既可以是第一阶弯曲模态固有频率，也可以是第一阶扭曲模态固有频率，可根据需要进行合理选择，本发明实施例中对此不作具体限定。
[0039] 确定静水中轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率后，根据得到的振型和第一阶模态固有频率对轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，在进行双向流固耦合数值计算时，需要对轴流泵叶片施加激励力，在激励力的作用下轴流泵叶片的结构场模型发生形变，带动周围的流场发生变化，两种变化相互传递相互影响，此时研究流场模型中预设位置处的流场计算网格的动态变化，进而可以确定动水中所述轴流泵叶片的结构振动响应，这里得到的结构振动响应通常为时域上的结构振动响应，即得到的是结构振动响应的时域结果，激励力的施加频率不同，结构振动响应的峰值不同，当施加频率发生变化时会结构振动响应会产生多个不同的峰值。
[0040] 在确定动水中轴流泵叶片的结构振动响应后，对结构振动响应进行滤波处理，可以得到动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，基于结构振动响应的峰值和动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，即可确定轴流泵叶片的水力阻尼比。
[0041] 本发明实施例中提供了一种轴流泵叶片水力阻尼的预测方法，包括：建立轴流泵叶片的结构场模型和流场模型，并进行网格划分，确定结构场计算网格和流场计算网格；基于结构场计算网格和流场计算网格，对轴流泵叶片进行模态分析，确定静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率；基于振型和静水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，对轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，并确定动水中轴流泵叶片的结构振动响应；对结构振动响应进行滤波处理，得到动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，并基于结构振动响应的峰值和动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，确定轴流泵叶片的水力阻尼比。可以通过本发明实施例中提供的预测方法较为准确的预测出轴流泵叶片的水力阻尼比，进而确定水力阻尼，从而可以最大程度的防止水力机械疲劳破坏，提高水力机械运行的稳定性。
[0042] 在上述实施例的基础上，所述S1中分别对得到的结构场模型和流场模型进行网格划分后，分别得到多套结构场网格以及多套流场网格；
[0043] 相应地，所述确定结构场计算网格和流场计算网格，具体包括：
[0044] 通过基于网格收敛指数GCI的理查森外推法对多套流场网格进行筛选，以所述轴流泵叶片的尾部旋涡脱落频率作为关键参数，分别在不同流速下对多套流场网格进行非定常流场计算，根据每套流场网格对应的网格收敛性指数、收敛精度以及误差棒，从多套流场网格中筛选出所述流场计算网格；
[0045] 将水等效为声流体，采用直接耦合求解中的声流体方法，在静水中对所述轴流泵叶片进行模态分析，对多套结构场网格进行筛选，以空气中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率作为关键参数，从多套结构场网格中筛选出所述结构场计算网格。
[0046] 具体地，本发明实施例中基于ANSYS ICEM软件，对S1中得到的结构场模型和流场模型分别进行网格划分，如图3所示。其中，图3(a)为轴流泵叶片前缘附近的流场网格示意图，图3(b)为轴流泵叶片尾缘附近的流场网格示意图。为了保证划分出的网格的正交性，在轴流泵叶片前缘附近的流场模型和轴流泵叶片尾缘附近的流场模型(即流场近壁区)采用O型拓扑结构，同时为了保证流场近壁区可完全求解，轴流泵叶片表面的网格参数y+控制在1左右，轴流泵叶片上其他壁面则需将网格参数y+控制在60-300之间。对于结构场模型，则采用混合网格，在轴流泵叶片前缘区域及轴流泵叶片尾缘区域进行局部网格加密，得到的结构场网格示意图如图4所示。
[0047] 作为优选方案，本发明实施例中经网格划分后分别得到三套结构场网格和三套流场网格，用以从中筛选确定出结构场计算网格和流场计算网格。确定结构场计算网格和流场计算网格的过程实际上是一种进行结构场网格无关性检查以及流场网格无关性检查的过程，旨在确定出误差最小、计算结果最优的结构场网格和流场网格，即结构场计算网格和流场计算网格。
[0048] 首先，本发明实施例中采用基于网格收敛指数(Grid Convergence Index，GCI)的理查森外推法进行流场网格无关性检查，以尾部旋涡脱落频率作为关键参数，分别在5m/s，10m/s，15m/s，20m/s，25m/s五个流速下对三套流场网格进行非定常流场计算，得到每套流场网格对应的数值解、外推值、网格收敛性指数、收敛精度以及误差棒，并根据网格收敛性指数、收敛精度以及误差棒，从三套流场网格中筛选出合适的流场网格作为流场计算网格。
需要说明的是，本发明实施例中筛选出的流场计算网格对应的网格收敛性指数、收敛精度以及误差棒可根据需要进行设置，本发明实施例中在此不作具体限定。
需要说明的是，本发明实施例中筛选出的流场计算网格对应的网格收敛性指数、收敛精度以及误差棒可根据需要进行设置，本发明实施例中在此不作具体限定。
[0049] 其次，本发明实施例中将流体(即水)假设为声流体，不考虑粘性作用和湍流流动，采用直接耦合求解中的声流体方法，在静水中对轴流泵叶片进行模态分析，保持流场计算网格不变，进行结构场网格无关性检查，以空气中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率作为关键参数，从三套结构场网格中筛选出合理的结构场网格作为结构场计算网格。需要说明的是，本发明实施例中结构场计算网格的筛选标准可根据需要进行设置，本发明实施例中在此不作具体限定。
[0050] 本发明实施例中对多套结构场网格以及多套流场网格进行筛选，以确定结构场计算网格和流场计算网格，为后续水力阻尼比的准确计算提供前提条件。
[0051] 在上述实施例的基础上，所述S2具体包括：
[0052] 选取预设结构场模型和预设声流场模型分别模拟所述结构场模型和所述流场模型，并基于所述结构场计算网格和所述流场计算网格，在ANSYS APDL中对静水中所述轴流泵叶片进行模态分析；
[0053] 基于声流体求解方法直接耦合求解得到静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率。
[0054] 具体地，本发明实施例中S2是在S1的基础上实现的，具体利用S1得到的结构场计算网格和流场计算网格，以及对应的网格尺度。首先，为了能够在ANSYS APDL软件中对静水中轴流泵叶片进行模态分析，需要选取预设结构场模型和预设声流场模型分别模拟结构场模型和流场模型。本发明实施例中，采用8实体四面体实体单元solid185作为预设结构场模型，采用Block Lanczos算法进行模态提取；采用声学单元ANSYS Fluid 3D acoustic30作为预设声流场模型，采用Unsymmetric算法进行模态提取；最后再采用声流体求解方法直接耦合求解得到静水中轴流泵叶片的振型及第一阶模态固有频率f1。
[0055] 本发明实施例中，采用ANSYS APDL对轴流泵叶片进行模态分析，并基于声流体求解方法直接耦合求解得到静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率，为后续步骤中确定双向流固耦合数值计算提供计算基础。
[0056] 在上述实施例的基础上，所述S3之前还包括：
[0057] 基于静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率，确定预设激励形式，以所述预设激励形式激励所述轴流泵叶片的第一阶弯曲模态；所述预设激励形式包括激励力的预设作用时长和激励时间步长；
[0058] 基于预设边界条件，对所述流场模型进行定常流场计算，并以定常流场计算的结果作为初始条件、基于所述预设作用时长和激励时间步长进行所述流场模型的非定常流场计算，直至所述轴流泵叶片尾部受到的压力周期性变化。
[0059] 具体地，为实现S3中的对轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，需要作出准备工作，即基于S2中得到的静水中轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率，确定预设激励形式，并以确定预设激励形式激励所述轴流泵叶片的第一阶弯曲模态。
[0060] 本发明实施例中的预设激励形式是指激励力的大小、激励位置、激励力的预设作用时长以及激励力的激励时间步长等。首先根据静水中轴流泵叶片的振型，确定激励位置，即轴流泵叶片前缘区域和轴流泵叶片尾缘区域二者的中心位置，在该激励位置上沿垂直轴流泵叶片表面的方向施加一激励力F，以激励轴流泵叶片的第一阶弯曲模态。其中，激励位置的选取如图5所示，在轴流泵叶片前缘区域27和轴流泵叶片尾缘区域28二者的中心位置施加一激励力F，需要说明的是，激励力F的作用区域是轴流泵叶片前缘区域27和轴流泵叶片尾缘区域28二者的中心位置，且贯穿轴流泵叶片的伸展方向，图5中的多个箭头用于表示激励力在伸展方向的作用方向是一致的，均与轴流泵叶片表面垂直。
[0061] 再根据第一阶模态固有频率f1确定激励力的预设作用时长，即激励时间，本发明实施例中激励时间为ts＝t1-t0，即在t0时开始施加激励力F，并在t1将激励力F撤除，在这一时间段内，激励力F并不是连续性激励，而是具有激励频率，即每个激励时间步长激励一次。且有tf/2＜ts＜tf，tf＝1/f1，以保证只激励轴流泵叶片的第一阶弯曲模态。作为优选方案，本发明实施例中采用的激振力为F＝200N，f1＝194Hz，ts＝5×10-3s。
[0062] 需要说明的是，在后续进行的双向流固耦合数值计算过程中，需要考虑到每两次激励的时间间隔，即激励力的激励时间步长，对数值计算结果的影响，需要消除激励时间步长对数值计算结果的影响。本发明实施例中采用采用隐式算法，以尾部旋涡脱落频率作为关键参数，分别选择激励时间步长Δt＝5×10-4、2×10-4、1×10-4、5×10-5、2×10-5和1×10-5s在10m/s的来流速度下进行双向流固耦合数值计算，计算得到当激励时间步长小于2×
10-5s时，激励时间步长对计算结果的影响在3％以内，所以本发明实施例中选择激励时间步长为2×10-5s即可认为消除了激励时间步长对数值计算结果的影响。
10-5s时，激励时间步长对计算结果的影响在3％以内，所以本发明实施例中选择激励时间步长为2×10-5s即可认为消除了激励时间步长对数值计算结果的影响。
[0063] 在确定了激励力的预设激励形式后，设置预设边界条件，即在计算域的进口端给定不同来流速度，在计算域的出口端给定压力为2.5Bar，壁面边界为无滑移壁面。基于ANSYS CFX软件以及预设边界条件对流场模型进行定常流场的数值计算，此处本发明实施例中选取的收敛标准为平均残差RMS达到1×10-5。然后以定常流场数值计算的结果作为初始条件、基于预设作用时长和激励时间步长进行流场模型的非定常流场计算。其中，本发明实施例中选取的每个激励时间步长的最大迭代次数为5次，残差收敛标准RMS为1×10-4，达到收敛标准或迭代计算5次后进入下一个激励时间步长进行计算。重复上述计算过程，直至轴流泵叶片尾部受到的压力周期性变化。其中，可通过在轴流泵叶片尾部区域设置压力脉动监测点，以实时监测压力变化情况，进而可准确确定出压力周期性变化的时刻，即达到非定常计算稳定状态的时刻。
[0064] 本发明实施例中通过对流场模型的定常流场计算以及非定常流场计算，确定出轴流泵叶片尾部受到的压力周期性变化时的非定常流场计算结果，用以为后续步骤中的双向流固耦合数值计算提供初始文件。
[0065] 在上述实施例的基础上，所述S3具体包括：
[0066] 基于所述预设作用时长、所述激励时间步长和预设数值阻尼，对所述结构场模型进行瞬态动力学分析，得到所述结构场模型的网格变形形式，并将非定常流场计算的结果作为初始文件对所述流场模型进行数值计算；
[0067] 通过所述结构场模型和所述流场模型之间的流固耦合面将所述结构场模型的网格变形形式以及所述流场模型的数值计算结果进行双向传递，获取所述流场模型的动网格变形结果；
[0068] 根据所述动网格变形结果确定动水中所述轴流泵叶片的结构振动响应。
[0069] 具体地，数值阻尼(numerical damping)在一般的软件中的默认值为0.1，它的作用是稳定数值计算的格式，但是也同样影响了数值计算的精度。所以本发明实施例中为保证计算结果的精度，需要消除数值阻尼对计算结果的影响。
[0070] 消除数值阻尼的影响是在空气中进行的，改变数值阻尼的大小，将结构阻尼和材料阻尼作为输入阻尼，基于预设作用时长、激励时间步长，在空气中进行双向流固耦合计算，当双向流固耦合计算结果得到的输出阻尼与输入阻尼一致时，即认为消除了数值阻尼对计算结果的影响。本发明实施例中，当数值阻尼为0.01时，输出阻尼与输出阻尼相对误差为4％，即此时认为消除了数值阻尼对计算结果的影响。
[0071] 基于预设作用时长、激励时间步长和预设数值阻尼，基于ANSYS中Workbench平台进行双向流固耦合计算，对于结构场模型采用有限元法进行瞬态动力学分析，得到所述结构场模型的网格变形形式；对于流场模型采用有限体积法，以非定常计算结果作为双向流固耦合计算的流场初始文件，对流场模型进行数值计算。双向流固耦合数值计算通过流固耦合面传递数据，结构场模型将网格变形形式传递给流场，流场模型的迭代数值计算结果以合力的形式传递回结构场模型，形成一个循环。每一个激励时间步长设置最多耦合迭代30次，平均残差收敛标准为1×10-4，达到残差收敛标准或耦合迭代计算30次后进入下一个激励时间步长的计算。
[0072] 本发明实施例中，在2m/s，5m/s，10m/s，15m/s和20m/s来流条件下分别对轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，通过在轴流泵叶片表面施加一个200N的瞬态激励力，使得轴流泵叶片发生第一阶弯曲变形，以激励轴流泵叶片的第一阶弯曲模态。在距离轴流泵叶片固定端0.75倍展向宽度处做一个平面，在平面上查看流场模型的动网格变形结果，将轴流泵叶片尾部区域的流场局部放大，可以看出网格明显的变形，且动网格变形量与轴流泵叶片振动变形量一致，在轴流泵叶片尾部区域的中心位置设置监测点，通过记录流场模型动网格变形结果获取结构振动响应，如图6所示。从图6中可以看出，由于施加的激励力的激励频率不同，会出现周期性的峰谷。每一激励频率均对应着一个结构振动响应的峰值点。
[0073] 在上述实施例的基础上，S4中对结构振动响应进行滤波处理，以得到动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，具体包括：
[0074] 将结构振动响应的时域结果进行快速傅里叶变换，确定结构振动响应的频域结果；
[0075] 基于滤波函数，滤除结构振动响应的频域结果中的旋涡脱落频率，得到动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率。
[0076] 具体地，如图6所示，得到的结构振动响应是一种时域结果，需要将时域结果转换为频域结果才能得到动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，转换的过程通过快速傅里叶变换实现。由于得到的频域结果中振动响应频率既包括了动水中旋涡脱落频率，又包括了动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率。所以为了要只得到动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，需要经滤波函数滤除频域结果中的旋涡脱落频率。需要说明的是，本发明实施例中采用的滤波函数可以根据需要进行选取，本发明实施例中在此不作具体限定。如图7所示，为本发明实施例中确定的轴流泵叶片在动水中的第一阶模态固有频率的曲线图，其中f2为动水中的第一阶模态固有频率。
[0077] 在上述实施例的基础上，所述S4中基于结构振动响应的峰值和动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，确定轴流泵叶片的水力阻尼比，具体包括：
[0078] 基于结构振动响应的峰值与动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率之间的对应关系，采用对数衰减法进行拟合，确定拟合得到的拟合函数中时间参数的系数；
[0079] 基于时间参数的系数，确定轴流泵叶片的水力阻尼比。
[0080] 具体地，本发明实施例中根据结构振动响应的峰值与动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率之间的对应关系，采用对数衰减法进行拟合。作为优选方案，在得到6个以上峰值点后，采用对数衰减法进行拟合，得到的拟合曲线如图6中的虚线所示。本发明实施例中拟合得到的拟合函数公式为：
[0081]
[0082] ωn＝2π×f2 (2)
[0083] 其中，y(t)为不同时刻的峰值点，A为最大振幅，ζ为轴流泵叶片的水力阻尼比，ωn为圆周固有频率，f2为动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率。
[0084] 由公式(1)可知，时间参数t的系数为ζωn，而ωn可以根据公式(2)确定，则根据公式(1)和公式(2)可以确定轴流泵叶片的水力阻尼比。
[0085] 在上述实施例的基础上，如图8所示，本发明实施例中提供了一种轴流泵叶片水力阻尼的预测系统，包括：建模模块81、模态分析模块82、结构振动响应确定模块83和水力阻尼比确定模块84。其中，
[0086] 建模模块81用于对轴流泵叶片及叶轮流道分别进行三维结构场建模和三维流场建模，分别对得到的结构场模型和流场模型进行网格划分，并确定结构场计算网格和流场计算网格；
[0087] 模态分析模块82用于基于所述结构场计算网格和所述流场计算网格，对所述轴流泵叶片进行模态分析，确定静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率；
[0088] 结构振动响应确定模块83用于基于所述振型和静水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，对所述轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，并确定动水中所述轴流泵叶片的结构振动响应；
[0089] 水力阻尼比确定模块84用于对所述结构振动响应进行滤波处理，以得到动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，并基于动水中所述轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，确定所述轴流泵叶片的水力阻尼比。
[0090] 具体地，本发明实施例中提供的轴流泵叶片水力阻尼的预测系统中各模块的作用与处理流程与上述方法类实施例是一一对应的，本发明实施例中在此不再赘述。
[0091] 本发明实施例提供的轴流泵叶片水力阻尼的预测系统，通过建模模块建立轴流泵叶片的结构场模型和流场模型，并进行网格划分，确定结构场计算网格和流场计算网格；通过模态分析模块基于结构场计算网格和流场计算网格，对轴流泵叶片进行模态分析，确定静水中所述轴流泵叶片的振型和第一阶模态固有频率；通过结构振动响应确定模块基于振型和静水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，对轴流泵叶片进行双向流固耦合数值计算，并确定动水中轴流泵叶片的结构振动响应；通过水力阻尼比确定模块对结构振动响应进行滤波处理，得到动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，并基于结构振动响应的峰值和动水中轴流泵叶片的第一阶模态固有频率，确定轴流泵叶片的水力阻尼比。可以通过本发明实施例中提供的预测系统较为准确的预测出轴流泵叶片的水力阻尼比，进而确定水力阻尼，从而可以最大程度的防止水力机械疲劳破坏，提高水力机械运行的稳定性。
[0092] 在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供了一种轴流泵叶片水力阻尼的预测设备，包括：
[0093] 至少一个处理器；以及
[0094] 与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
[0095] 所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如图1所述的方法。
[0096] 在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如图1所述的方法。
[0097] 以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0098] 通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0099] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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