[发明专利]一种混输泵泵腔瞬时温度特性的建模与预测方法

说明书

本发明公开了一种混输泵泵腔瞬时温度特性的建模与预测方法，包括以下步骤：1)建立频变油气混输工况下，混输泵泵腔瞬时温度特性的CFD数值模型，为高斯过程回归GPR经验建模提供初始数据；2)对CFD数值模型提供的M套样本进行分类，即每套CFD仿真数据被分成L个样本子集；每个样本子集单独进行学习训练，建立L个泵腔瞬时温度特性的GPR预测子模型；3)对GPR预测模型进行在线评估，并以此为输入样本集的每个样本xsubgt;t,i/subgt;，单独选择一种最合适的GPR模型进行在线预测；4)整合GPR提供的单个样本预测概率信息，对CFD数值模型进行在线评估，并以此为整个输入样本集选择一种最合适的GPR和CFD数值模型，实现在线和离线预测。

技术领域

本发明涉及混输泵设计阶段重要参数建模和预测方法的技术领域，特别涉及一种通用的适合复杂频变油气混输工况下，混输泵泵腔瞬时温度特性的建模和预测方法。

背景技术

油气混输泵兼具泵和压缩机的功能，是实现油气密闭混输的关键设备之一，能有效增加石油开采过程中伴生天然气资源的回收利用。油气混输工况下，泵腔内会集聚因气体被压缩产生的热量，及回流现象、机械摩擦产生的热量，引发泵腔温度升高。尤其是输送高含气率的混输介质时，排出过程中较高的泵腔温度不仅影响流体的流动特性，降低润滑油的性能，还能导致泵零件的热变形及密封元件的失效，造成巨大的损失。因此，构建混输泵一个工作循环的泵腔瞬时温度曲线与复杂油气混输工况间的相互关系，对指导混输泵工程设计，确保其稳定运行具有十分重要的意义。

近年来，国内外许多学者基于能量和质量守恒定律、变质量多相系统热力学定律，应用机理模型、计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)仿真技术和试验分析方法，主要对双螺杆混输泵的热力特性进行了研究。然而，鉴于油气混输是多相多组分非稳态流动、传热与传质耦合的复杂过程，各相界面间还存在尚未明确的相间作用机理，包括影响各相间流动过程的动量、能量及质量传递机制，难以求解涉及瞬变、对流、扩散、相变、传热和传质过程的高阶非线性热力学机理模型。

CFD数值模型以其处理复杂流动计算的优势，被广泛用以解决多相流等工程问题。然而，鉴于尚处于探索阶段的多相流流动原理，单一的CFD数值模型不足以描述混输泵内多相流相界面的迁移状态等频变复杂的流动特性。进一步，CFD仿真结果的优劣在很大程度上依赖研究者的经验。例如，网格的划分质量、边界条件的设置、多相流和湍流模型的选择、离散化方法等。因此，CFD数值建模的合理性，通常需要实验验证。然而，局限于现有的多相流测试技术，无法从机理上确定温度、压力、流量等性能参数的基本变化规律，增加了实验设计的难度；加之，混输泵完成一个工作循环，通常不足1秒钟，且复杂混输工况下温度、压力、流量等性能参数呈现复杂、迅速的非线性动态时变特性，增加了各参数获取的难度。因此，至今未见对混输泵瞬时温度CFD数值模型的合理性进行实验验证的相关报道。

高斯过程回归(Gaussian Process Regression,GPR)数据驱动经验模型，是一种建立在描述样本数据特征基础上的通用“黑箱”建模技术，已被广泛的应用于非线性流程工业的建模。相比机理模型，GPR模型不用实质性的了解复杂的内部现象；相比CFD数值模型，GPR无需过多的依赖设计者的经验；相比其他描述非线性特性的数据驱动经验模型，GPR能同时提供预测不确定度信息；进一步，鉴于单个全局GPR模型稳定范围有限，多个局部GPR模型可以整合在一起，较完整的描述整个复杂过程特性。所有这些优点，都表明GPR模型适合用来描述混输泵泵腔瞬时温度特性与复杂的油气混输工况间关系。然而，限于多相流测试技术等因素，很难现场获取大量用于GPR经验建模的稳定可靠数据。