旋转失速预测方法及装置与流程

本发明涉及无叶扩压器内旋转失速的预测技术领域，具体而言，涉及一种旋转失速预测方法及装置。

背景技术：

离心式压缩机是一种提高气体压力和速度，并对气体进行输送的重要装备，在现代社会中有着广泛的应用，为了提高压缩机的输送压力，减小流体在输送过程中的能量损失，离心式压缩机的叶轮通常会连接一段无叶扩压器，该无叶扩压器在小流量工况下运行时，流体由于径向速度减小、切向速度增大导致无叶扩压器内流动角减小，进而引发流动失稳产生被称为旋转失速的不稳定流动现象。例如，在无叶扩压器内会产生数个失速团，失速团的自旋方向与叶轮相反，因此失速团的一侧流动方向向内，另一侧流动方向向外。又由于失速团本身会沿着扩压器的周向缓慢传播，因此在失速团扫过某一部位时，反向流动会占据该位置，产生流动堵塞，严重影响流体的输送效率，引起系统性能骤降并对系统的稳定性和安全性造成破坏。由于旋转失速现象对系统性能、安全性和稳定性方面的负面作用，在实际运行中应当避免设备在失速区间内运行，因此需要对旋转失速发生的临界点进行预测。现有技术中，通常采用实验监测结合数值模拟的方法来测试旋转失速的临界发生工况及其流动特点。

发明人经研究发现，采用实验和数值模拟方法的经济成本较大、时间周期较长，难以简便快捷地为设计者提供系统临界失速点的预测值的情况。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种旋转失速预测方法及装置，以有效缓解上述技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种旋转失速预测方法，用于对无叶扩压器内旋转失速现象进行预测，所述方法包括：

基于获取到的无叶扩压器内液体稳定流动下的流体流量、无叶扩压器半径比、上游叶轮出口环量以及测量位置的半径，得到该无叶扩压器内流体的第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解；

分别向所述第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解中添加扰动项，并采用包括流体连续性方程、欧拉方程以及涡量方程的流动控制方程组进行处理以得到该流动控制方程组对应的线性方程组；

采用简正模对所述第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解对应添加的扰动项进行扰动分析以得到所述无叶扩压器内的流体在扰动状态下的扰动项与时间、空间的扰动量对应关系；

根据所述无叶扩压器的预设边界条件、所述线性方程组、扩压器进出口半径比以及模态数得到所述无叶扩压器内旋转失速临界点的流动角。

可选的，在上述旋转失速预测方法中，所述第一径向速度的解析解为vr，且其中，r为测量位置的半径；

所述第一切向速度的解析解为vθ，且其中，q为无叶扩压器的流体流量，γ为上游叶轮出口环量；

第一压力值的解析解为p，且其中，r为扩压器进出口半径比；

第一旋度的解析解为ξ，且ξ＝0。

可选的，在上述旋转失速预测方法中，分别向所述第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解中添加扰动项后获得的添加扰动项后的第一径向速度的解析解为vr'，且其中，ε为常数，ur(r,θ,t)为第一径向速度对应的扰动表达式，且t为时间，θ为角度；

添加扰动项后的第一切向速度的解析解为vθ'，且其中，uθ(r,θ,t)为第一切向速度对应的扰动表达式；

添加扰动项后的第一压力值的解析解为p'，且其中，p(r,θ,t)为第一压力值对应的扰动表达式；

添加扰动项后的旋度的解析解为ξ'，且ξ'＝0+εξ(r,θ,t)，其中，ξ(r,θ,t)为第一压力值对应的扰动表达式；

所述流动控制方程组中包括的所述流体连续性方程为：

所述欧拉方程为：

所述涡量方程：

采用包括流体连续性方程、欧拉方程以及涡量方程的流动控制方程组进行处理以得到该流动控制方程组对应的线性方程组的步骤包括：

将添加扰动项后的第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解带入至所述流动控制方程组中，并保留ε的一阶项以得到一线性方程组，其中，所述线性方程组包括以下公式：

以及

可选的，在上述旋转失速预测方法中，所述扰动量对应关系为其中，a为常数，n为模态数，ω为复数且ω＝ωreal-iσ，ωreal为周向增长率，σ为径向增长率，i为虚数单位。

可选的，在上述旋转失速预测方法中，根据所述无叶扩压器的预设边界条件、所述线性方程组、扩压器进出口半径比以及模态数得到所述无叶扩压器内旋转失速临界点的流动角的步骤包括：

将所述扰动量对应关系带入至所述线性方程组中以得到一模型方程组，其中，所述模型方程组包括的公式为：以及其中，μ＝γ/q＝1/tanα，a为无叶扩压器内流体的流动角；

根据所述模型方程组得到该模型方程组对应的解析解，其中，

在r＝r，所述第一压力值为零时，根据所述模型方程组中的和得到一离散方程，其中，该离散方程为：

根据所述模型方程组对应的解析解、所述边界条件、扩压器进出口半径比r、模态数n以及离散方程得到所述旋转失速临界点的流动角。

本发明还提供一种旋转失速预测装置，用于对无叶扩压器进行失速预测，所述装置包括：

解析解获得模块，用于基于获取到的无叶扩压器内液体稳定流动下的流体流量、无叶扩压器半径比、上游叶轮出口环量以及测量位置的半径，得到该无叶扩压器内流体的第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解；

处理模块，用于分别向所述第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解中添加扰动项，并采用包括流体连续性方程、欧拉方程以及涡量方程的流动控制方程组进行处理以得到该流动控制方程组对应的线性方程组；

对应关系获得模块，用于采用简正模对所述第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解对应添加的扰动项进行扰动分析以得到所述无叶扩压器内的流体在扰动状态下的扰动项与时间、空间的扰动量对应关系；

失速预测模块，用于根据所述无叶扩压器的预设边界条件、所述线性方程组、扩压器进出口半径比以及模态数得到所述无叶扩压器内旋转失速临界点的流动角。

可选的，在上述旋转失速预测装置中，所述第一径向速度的解析解为vr，且其中，r为测量位置的半径；

所述第一切向速度的解析解为vθ，且其中，q为无叶扩压器的流体流量，γ为上游叶轮出口环量；第一压力值的解析解为p，且其中，r为扩压器进出口半径比；

第一旋度的解析解为ξ，且ξ＝0。

可选的，在上述旋转失速预测装置中，分别向所述第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解中添加扰动项后获得的添加扰动项后的第一径向速度的解析解为vr'，且其中，ε为常数，ur(r,θ,t)为第一径向速度对应的扰动表达式，且t为时间，θ为角度；

添加扰动项后的第一切向速度的解析解为vθ'，且其中，uθ(r,θ,t)为第一切向速度对应的扰动表达式；

添加扰动项后的第一压力值的解析解为p'，且其中，p(r,θ,t)为第一压力值对应的扰动表达式；

添加扰动项后的旋度的解析解为ξ'，且ξ'＝0+εξ(r,θ,t)，其中，ξ(r,θ,t)为第一压力值对应的扰动表达式；

所述流动控制方程组中包括的所述流体连续性方程为：

所述欧拉方程为：

所述涡量方程：

所述处理模块，还用于将添加扰动项后的第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解带入至所述流动控制方程组中，并保留ε的一阶项以得到一线性方程组，其中，所述线性方程组包括以下公式：

以及

可选的，在上述旋转失速预测装置中，所述扰动量对应关系为其中，a为常数，n为模态数，ω为复数且ω＝ωreal-iσ，ωreal为周向增长率，σ为径向增长率，i为虚数单位。

可选的，在上述旋转失速预测装置中，所述失速预测模块包括：

第一方程获得子模块，用于将所述扰动量对应关系带入至所述线性方程组中以得到一模型方程组，其中，所述模型方程组包括的公式为：以及其中，μ＝γ/q＝1/tanα，a为无叶扩压器内流体的流动角；

解析子模块，用于根据所述模型方程组得到该模型方程组对应的解析解，其中，

第二方程获得子模块，用于在r＝r，所述第一压力值为零时，根据所述模型方程组中的和得到一离散方程，其中，该离散方程为：

预测计算子模块，用于根据所述模型方程组对应的解析解、所述边界条件、扩压器进出口半径比r、模态数n以及离散方程得到所述旋转失速临界点的流动角。

本发明提供的一种旋转失速预测方法及装置，方法包括：基于获取到的无叶扩压器内液体稳定流动下的流体流量、无叶扩压器半径比、上游叶轮出口环量以及测量位置的半径，得到该无叶扩压器内流体的第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解，分别向各解析解中添加扰动项，并采用流动控制方程组进行处理以得到线性方程组，采用简正模对各解析解对应添加的扰动项进行扰动分析以得到流体在扰动状态下扰动项与时间、空间的扰动量对应关系；根据无叶扩压器的预设边界条件、线性方程组、扩压器进出口半径比r、模态数n以及扰动量对应关系进行预测得到无叶扩压器内旋转失速临界点的流动角。通过上述方法，有效降低预测成本并实现对旋转失速临界点的流动角进行可靠有效的预测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电子设备的连接框图。

图2为本发明实施例提供的旋转失速预测方法的流程示意图。

图3为图2中步骤s140的流程示意图。

图4为本发明实施例提供的旋转失速预测装置的连接框图。

图5为本发明实施例提供的失速预测模块的连接框图。

图标：10-电子设备；12-存储器；14-处理器；100-旋转失速预测装置；110-解析解获得模块；120-处理模块；130-对应关系获得模块；140-失速预测模块；142-第一方程获得子模块；144-解析子模块；146-第二方程获得子模块；148-预测计算子模块。

具体实施方式

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，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

因此，提供一种能够有效避免检索和回放过程出现异常的视频播放方法是亟待解决的技术问题。

请参阅图1，本发明提供的一种电子设备10，包括存储器12和处理器14。

所述存储器12与处理器14相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器12中存储有以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器12中的软件功能模块，所述处理器14通过运行存储在存储器12内的软件程序以及模块，如本发明实施例中的旋转失速预测装置100，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现本发明实施例中的旋转失速预测方法。

所述存储器12可以是，但不限于，随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)，只读存储器(readonlymemory，rom)，可编程只读存储器(programmableread-onlymemory，prom)，可擦除只读存储器(erasableprogrammableread-onlymemory，eprom)，电可擦除只读存储器(electricallyerasableprogrammableread-onlymemory，eeprom)等。其中，存储器12用于存储程序，所述处理器14在接收到执行指令后，执行所述程序。

所述处理器14可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器14可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、网络处理器(networkprocessor，np)等。还可以是数字信号处理器14(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

请结合图2，本发明提供一种可应用于上述电子设备10的旋转失速预测方法，用于对无叶扩压器进行失速预测，所述方法应用于所述电子设备10时执行步骤s110-s140四个步骤：

步骤s110：基于获取到的无叶扩压器内液体稳定流动下的流体流量、无叶扩压器半径比、上游叶轮出口环量以及测量位置的半径，得到该无叶扩压器内流体的第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解。

其中，所述无叶扩压器内液体稳定流动下的流体流量、无叶扩压器半径比、上游叶轮出口环量以及测量位置的半径可以是按照其名称、符号以及对应的数值建立对应关系后预先存储于所述电子设备10的存储器12或与该电子设备10关联的存储设备中。获得的所述第一径向速度的解析解为vr，且其中，r为测量位置的半径；所述第一切向速度的解析解为vθ，且其中，q为无叶扩压器的流体流量，γ为上游叶轮出口环量；第一压力值的解析解为p，且其中，r为扩压器进出口半径比；第一旋度的解析解为ξ，且ξ＝0。

需要说明的是，在无叶扩压器内流体的流动是二维流动，且在稳定流动状态下，流体的流速处于次声速范围，即流体是无粘性且不可压缩的。

步骤s120：分别向所述第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解中添加扰动项，并采用包括流体连续性方程、欧拉方程以及涡量方程的流动控制方程组进行处理以得到该流动控制方程组对应的线性方程组。

具体的，在本实施例中，添加扰动项后的第一径向速度的解析解为vr'，且其中，ε为常数，ur(r,θ,t)为第一径向速度对应的扰动表达式，且t为时间，θ为角度；添加扰动项后的第一切向速度的解析解为vθ'，且其中，uθ(r,θ,t)为第一切向速度对应的扰动表达式；添加扰动项后的第一压力值的解析解为p'，且其中，p(r,θ,t)为第一压力值对应的扰动表达式；添加扰动项后的旋度的解析解为ξ'，且ξ'＝0+εξ(r,θ,t)，其中，ξ(r,θ,t)为第一压力值对应的扰动表达式。

所述流动控制方程组中包括的所述流体连续性方程为：

所述欧拉方程为：

所述涡量方程：

采用包括流体连续性方程、欧拉方程以及涡量方程的流动控制方程组进行处理以得到该流动控制方程组对应的线性方程组的步骤包括：

将添加扰动项后的第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解带入至所述流动控制方程组中，并保留ε的一阶项以得到一线性方程组，其中，所述线性方程组包括以下公式：

以及

步骤s130：采用简正模对所述第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解对应添加的扰动项进行扰动分析以得到所述无叶扩压器内的流体在扰动状态下的扰动项与时间、空间的扰动量对应关系。

其中，得到的扰动量对应关系为其中，a为常数，n为模态数，ω为复数且ω＝ωreal-iσ，ωreal为周向增长率，σ为径向增长率，i为虚数单位。

步骤s140：根据所述无叶扩压器的预设边界条件、所述线性方程组、扩压器进出口半径比以及模态数得到所述无叶扩压器内旋转失速临界点的流动角。

需要说明的是，随着流量的减小，当无叶扩压器中流动从稳定状态至发生扰动状态过程中，当流动角降低至所述旋转失速临界点的流动角时，则将会发生旋转失速现象。通过上述方式，以在需要进行旋转失速预测时，仅需要输入临界点的边界条件、模态数、常数、流体流量、无叶扩压器半径比、上游叶轮出口环量以及测量位置的半径即可实现对无叶扩压器内的旋转失速临界点的流动角即可进行预测，进而有效降低预测成本。此外通过上述获得的预测结果有效可靠。

请结合图3，在本实施例中，所述步骤s140包括：

步骤s142：将所述扰动量对应关系带入至所述线性方程组中以得到一模型方程组，其中，所述模型方程组包括的公式为：以及其中，μ＝γ/q＝1/tanα，a为无叶扩压器内流体的流动角。

步骤s144：根据所述模型方程组得到该模型方程组对应的解析解，其中，

步骤s146：在r＝r，所述第一压力值为零时，根据所述模型方程组得到一离散方程。

具体的，在本实施例中，可以是根据所述模型方程组中的和得到一离散方程，其中，该离散方程为：

步骤s148：根据所述模型方程组对应的解析解、所述边界条件、扩压器进出口半径比、模态数以及离散方程得到所述旋转失速临界点的流动角。

请参阅图4，在上述基础上，本发明还提供一种应用于电子设备10的旋转失速预测装置100，所述旋转失速预测装置100包括解析解获得模块110、处理模块120、对应关系获得模块130以及失速预测模块140。

所述解析解获得模块110，用于基于获取到的无叶扩压器内液体稳定流动下的流体流量、无叶扩压器半径比、上游叶轮出口环量以及测量位置的半径，得到该无叶扩压器内流体的第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解。在本实施例中，所述解析解获得模块110可用于执行图2所示的步骤s110，关于所述解析解获得模块110的具体描述可以参照前文对步骤s110的描述。

在本实施例中，所述第一径向速度的解析解为vr，且其中，r为测量位置的半径；

所述第一切向速度的解析解为vθ，且其中，q为无叶扩压器的流体流量，γ为上游叶轮出口环量；

第一压力值的解析解为p，且其中，r为扩压器进出口半径比；

第一旋度的解析解为ξ，且ξ＝0。

所述处理模块120，用于分别向所述第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解中添加扰动项，并采用包括流体连续性方程、欧拉方程以及涡量方程的流动控制方程组进行处理以得到该流动控制方程组对应的线性方程组。在本实施例中，所述处理模块120可用于执行图2所示的步骤s120，关于所述处理模块120的具体描述可以参照前文对步骤s120的描述。

在本实施例中，添加扰动项后的第一径向速度的解析解为vr'，且其中，ε为常数，ur(r,θ,t)为第一径向速度对应的扰动表达式，且t为时间，θ为角度；

添加扰动项后的第一切向速度的解析解为vθ'，且其中，uθ(r,θ,t)为第一切向速度对应的扰动表达式；

添加扰动项后的第一压力值的解析解为p'，且其中，p(r,θ,t)为第一压力值对应的扰动表达式；

添加扰动项后的旋度的解析解为ξ'，且ξ'＝0+εξ(r,θ,t)，其中，ξ(r,θ,t)为第一压力值对应的扰动表达式；

所述流动控制方程组中包括的所述流体连续性方程为：

所述欧拉方程为：

所述涡量方程：

所述处理模块120，还用于将添加扰动项后的第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解带入至所述流动控制方程组中，并保留ε的一阶项以得到一线性方程组，其中，所述线性方程组包括以下公式：

以及

所述对应关系获得模块130，用于采用简正模对所述第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解对应添加的扰动项进行扰动分析以得到所述无叶扩压器内的流体在扰动状态下的扰动项与时间、空间的扰动量对应关系。在本实施例中，所述对应关系获得模块130可用于执行图2所示的步骤s130，关于所述对应关系获得模块130的具体描述可以参照前文对步骤s130的描述。

具体的，在本实施例中，所述扰动量对应关系为a为常数，n为模态数，ω为复数且ω＝ωreal-iσ，ωreal为周向增长率，σ为径向增长率，i为虚数单位。

所述失速预测模块140，用于根据所述无叶扩压器的预设边界条件、所述线性方程组以及所述扰动量对应关系进行预测得到所述无叶扩压器内的旋转失速临界点的流动角。在本实施例中，所述失速预测模块140可用于执行图2所示的步骤s140，关于所述失速预测模块140的具体描述可以参照前文对步骤s140的描述。

请结合图5，具体的，在本实施例中，失速预测模块包括第一方程获得子模块142、解析子模块144、第二方程获得子模块146以及预测计算子模块148。

所述第一方程获得子模块142，用于将所述扰动量对应关系带入至所述线性方程组中以得到一模型方程组，其中，所述模型方程组包括的公式为：以及其中，μ＝γ/q＝1/tanα，a为无叶扩压器内流体的流动角。

在本实施例中，所述第一方程获得子模块142可用于执行图3所示的步骤s142，关于所述第一方程获得子模块142的具体描述可以参照前文对步骤s142的描述。

所述解析子模块144，用于根据所述模型方程组得到该模型方程组对应的解析解，其中，

在本实施例中，所述解析子模块144可用于执行图2所示的步骤s144，关于所述解析子模块144的具体描述可以参照前文对步骤s144的描述。

所述第二方程获得子模块146，用于在r＝r，所述第一压力值为零时，根据所述模型方程组中的和得到一离散方程，其中，该离散方程为：在本实施例中，所述第二方程获得子模块146可用于执行图2所示的步骤s146，关于所述第二方程获得子模块146的具体描述可以参照前文对步骤s146的描述。

所述预测计算子模块148，用于根据所述模型方程组对应的解析解、所述边界条件、扩压器进出口半径比r、模态数n以及离散方程得到所述旋转失速临界点的流动角。在本实施例中，所述预测计算子模块148可用于执行图2所示的步骤s148，关于所述预测计算子模块148的具体描述可以参照前文对步骤s148的描述。

综上，本发明提供的一种旋转失速预测方法及装置，方法包括：基于获取到的无叶扩压器内液体稳定流动下的流体流量、无叶扩压器半径比、上游叶轮出口环量以及测量位置的半径，得到该无叶扩压器内流体的第一径向速度、第一切向速度、第一压力值以及第一旋度的解析解，分别向各解析解中添加扰动项，并采用流动控制方程组进行处理以得到线性方程组，采用简正模对各解析解对应添加的扰动项进行扰动分析以得到流体在扰动状态下扰动项与时间、空间的扰动量对应关系；根据无叶扩压器的预设边界条件、扩压器进出口半径比、模态数、线性方程组以及扰动量对应关系进行预测得到无叶扩压器内的旋转失速临界点的流动角。通过上述方法，实现对旋转失速临界点流动角的可靠预测，有效降低旋转失速工程预测成本。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。