[发明专利]水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法

说明书

本发明涉及一种水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法，将流场中采集的一维特征量时域信号进行快速傅里叶变换，获得该特征量离散峰值频率及对应幅值大小；再进行高阶谱分析获得其频域中的非线性频率，此为不稳定流动对应的特征频率；采用多点监测值的交叉小波变换，诊断该不稳定流动随时间变化的特征，得到在不稳定流动对应的特征频率下的流动特征；利用不稳定流动对应的特征频率通过时频域转换技术关联对应流动特征，得到特征频率值所对应的流场特征二维流场分布图，直观对应不稳定流动发生的具体位置及强度。可有效的诊断水力机械内部非定常流动结构的特征，直观表现各种不同特征频率的非定常流动在各过流部件中分布及作用情况。

技术领域

本发明涉及一种监测技术，特别涉及一种水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法。

背景技术

目前对于水力机械内部流场的研究主要有以下两种方法。其一，在流场内设计监测点，通过对其监测点上流场特征量(如速度、压力、涡量等)的时频域分析来获得所研究位置的非定常流动的周期及传播特征等。监测点的流场特征量可通过实验及数值模拟方法得到(如对监测点的压力脉动进行互功率谱及2D傅里叶变换等，获得失速频率和失速团的个数及周向传播速度等量化的非定常流动特征)。

其二，通过流场可视化分析，对水力机械内部流场进行研究。学者采用试验(如粒子图像测速仪(PIV)、高速摄影仪等)及数值模拟方法，获得流场在二维或三维空间的分布，并通过对该空间内速度、压力、涡量等流场特征量的分布来研究流场的流态及非定常流动发生的位置和其随时间变化的规律。

申请号201410439665.2，名称为“一种湍流发生器PIV测量系统”的发明专利采用液压装置及采用平面镜折射湍流发生器内部流场，实现对湍流发生器内部流场的PIV测量，获得内部流场轴向和径向方向的PIV测量，但本专利常用于一维流场的分析。申请号201420266403.6，名称为“一种离心泵内部非定常流动可视化试验装置”的发明专利通过离心泵、高速摄影仪、光源发生器等装置弥补了常用流场可视化实验不可在开式试验台上进行的不足，通过对监测点流场特征量的时频域分析，可以获得丰富的非定常流动特征，如周期频率、传播速度、作用强度等，是对流场中的流动特征定量分析最为有效的方法。但是由于该方法仅对一维流场特征量进行分析，无法获得水力机械内流场的分布规律。流场可视化频域分析弥补了这一不足，该方法对水力机械内部流场进行研究，通过分析该空间内分布的速度、压力、涡量等流场特征量来研究流场的流态及非定流动发生的位置和其随时间变化的规律。流场可视化分析方法可以直观的展现水力机械内部的流场分布和各过流部件内流场之间的相互关系。

流场可视化频域分析虽弥补了对监测点上流场特征量时频域分析方法的不足，但目前所进行的流场可视化研究多集中在对其获得的瞬时流场特征量进行分析。而水力机械在非设计工况下运行时，内部流动往往非常复杂，流场内同时存在多种不同的周期性非定常流动，它们相互作用影响，瞬时流场的分析无法获得较为系统全面流动特征。

发明内容

本发明是针对现流场可视化频域分析存在的问题，提出了一种水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法，结合流场特征量一维频域分析的优势和流场可视化方法的特点，建立一种水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法。提出的方法可有效的诊断水力机械内部非定常流动结构的特征(如对应的特征频率、传播特征、是否为稳定作用过程等)，并通过二维再现直观的显示该非定常流动结构在过流部件内的分布位置、形状及作用强度。

本发明的技术方案为：一种水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法，具体包括如下步骤：