【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及多相流泵閥設計，具體涉及融合物理知識和圖網絡的多相流泵用逆止閥流量特性的建模方法。
技術介紹
1、多相流泵是一種能夠將氣體和液體合并輸送的裝置，廣泛用于化工、石油、環保等領域。逆止閥是多相流泵的重要和易損水力部件，設計過程中需確保該閥在頻變工況下可靠運行。然而，一些復雜頻變輸送工況中，泵內氣液非均相流會產生交變載荷，使逆止閥閥芯開啟瞬間發生偏移、撞擊等現象，造成逆止閥彈簧疲勞損壞失效，無法正常工作，引發泵內噪聲和振動，導致輸送流量減少、泵效降低。因此，構建逆止閥的開啟和輸送兩階段瞬時流量特性和復雜頻變氣液混輸工況間的相互關系，對指導逆止閥的工程設計，確保多相流泵穩定運行具有重要意義。
2、近年來，國內外學者建立了許多逆止閥的理論模型和計算流體動力學(cfd)模型。理論模型大多基于連續性和運動學定理提出，用以描述純液相和熱液系統中逆止閥的啟閉特性，很少涉及復雜的多相流。進一步，鑒于有限的多相流理論、測試技術和復雜的閥隙流場特性，很難獲取閥隙內的時變非均勻壓力、速度分布特性，導致現有的理論模型用于工程實踐時，經常做一些假設。例如，假設閥隙內壓力、速度、密度等參數均勻分布，以用閥進出口參數替代閥隙參數；假設閥芯不發生偏移、顛簸等現象，僅考慮豎直方向受力平衡等。因而，現有的理論模型不足以描述氣液混輸工況下，逆止閥的瞬時流量特性。cfd模型以其處理復雜流動計算的優勢，被廣泛用以解決流體動力學中的工程問題。然而，cfd模型的性能與研究者的經驗息息相關。例如，網格的劃分方案、湍流模型的選擇、邊界條件的設置等。目前，僅
3、近幾年，一些基于數據驅動的經驗模型，因不需要實質性的了解多相流動的復雜內部機理，也逐漸被用于解決多相流動的部分問題。然而，單純的數據驅動經驗模型的優劣取決于是否存在大量可靠的建模數據。進一步，其生成的黑盒模型難以解釋研究對象的內部作用機制，無法為工程設計提供有效的理論支撐。考慮有限的多相流測試技術及開啟階段閥隙內復雜的多相流特性，很難獲取大量的有效實驗數據；同時，尚處于發展階段的多相流泵用逆止閥也亟需探究運行工況與閥工作特性的內部作用機制，一種融合物理知識和圖卷積網絡(簡稱pgcn)的多相流泵用逆止閥流量特性的建模方法因此被提出。圖卷積網絡(簡稱gcn)可以描述輸入變量之間、輸入和輸出變量之間的拓撲關系。同時，物理方程可嵌入到gcn的訓練過程中，確保gcn的輸出滿足物理規律，減少傳統的gcn建模方法對大量有效建模數據的依賴，提高模型的泛化能力。經文獻檢索發現，未見融合物理知識和圖卷積網絡的多相流泵用逆止閥流量特性的建模報告。
技術實現思路
1、本專利技術要克服現有技術的上述缺點，提供一種融合物理知識和圖網絡的逆止閥多相流量特性的建模方法。該方法可基于有限的樣本，學習多相流泵用逆止閥流量特性與復雜的氣液混輸工況間的關系，輔助工程人員更好地理解逆止閥內多相流的內部機理，以優化逆止閥的工程設計。
2、本專利技術的技術方案如下：
3、融合物理知識和圖網絡的逆止閥多相流量特性的建模方法，包括以下步驟：
4、1)建立多相流泵用逆止閥開啟階段的理論模型；
5、首先，以往復式氣液多相流泵用圓錐逆止排出閥為例，基于連續性定理，假設閥隙內氣液兩相流均勻分布，可知閥在時間t時刻排出的質量流量qt為：
6、
7、式中，c為閥的流量系數，ρt和pt分別為t時刻時，閥隙的過流面積、閥隙內氣液混合物的密度和壓強，d為閥板當量直徑，ht為t時刻閥的升程高度，pd為閥出口處壓強。工程中，由于閥隙位置狹小，難以安裝傳感器，無法實時獲取ρt和pt的值，所以需要增加其他理論公式，才能從公式(1)中獲取qt的計算值。
8、因此考慮以逆止閥閥板為研究對象，假設閥芯不發生偏移、顛簸等現象，基于牛頓定律建立公式(2)描述的運動學方程
9、式中，m為閥板的質量，為ht的二階導數，為閥板面積，g為重力加速度，k和f分別為彈簧的剛度系數和預緊力。
10、其次，根據多相流理論，可知t時刻時閥隙內氣液混合物的平均密度ρt可表示為
11、ρt＝ρl(1-βt)+ρgβt(3)
12、式中，ρl和ρg分別為液體和氣體的密度，βt為t時刻時閥隙內氣體體積占氣液混合物總體積的百分數。
13、為簡化求解過程，假設多相流泵開啟階段排出過程為等溫過程，則可建立方程(4)
14、ptvgt＝psvgs＝constant(4)
15、式中，vgt＝(ast+vc+vt)-(1-βs)vs為t時刻時閥隙內氣體體積，ps，vgs＝βsvs，vs和βs分別為泵進口壓力、吸入的氣體體積、氣液混合物總體積及氣體體積占vs的百分數，為泵腔活塞面積，d為活塞直徑，為t時刻活塞的位移，r為曲柄半徑，ω為泵的轉速，λ為曲柄半徑和連桿長度的比值，vc和分別為余隙容積、閥板運動引起的體積變化。由公式(3)和(4)可推出公式(5)，
16、
17、綜上所述,根據公式(1)-(5)可以推導出，逆止閥在開啟階段t時刻的排出流量qt的理論公式(6)和(7)
18、
19、2)建立多相流泵用逆止閥輸送階段的理論模型；
20、由泵的工作原理可知，逆止閥開啟階段結束，進入正常輸送階段后，如果忽略水力損失和摩擦阻力損失，泵腔內混合物的質量、體積變化理論上均等于逆止排出閥輸出的質量和體積流量，即逆止閥輸送階段可視為混合物密度保持不變的非等溫壓縮過程，因而逆止閥輸送階段的流量特性，可由下述公式(8)獲得，即
21、式中，ρ＝(ρlpd(1-βs)+ρgpsβs)/(pd(1-βs)+psβs)為開啟階段結束后泵腔內混合物的密度。
22、3)收集不同氣液混輸工況下的輸入和輸出訓練樣本，建立逆止閥流量特性的圖卷積(簡稱gcn)模型；
23、首先，基于理論公式提供的物理知識和閥的工程設計經驗，分析影響逆止閥流量特性的變量，確定gcn模型的輸入矩陣x和輸出矩陣y；
24、其次，收集不同氣液混輸工況下，泵排出過程(曲柄轉角θ＝ωt＝180°～360°區間)的輸入輸出訓練樣本其中xm為第m個輸入樣本，ym為第m個輸出樣本，m是樣本總數。以包含2個隱藏層的gcn模型為例，可得gcn的預測輸出f(x,a)為
25、
26、式中，σ(·)是激活函數，relu是線性整流函本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.融合物理知識和圖網絡的逆止閥多相流量特性的建模方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的融合物理知識和圖網絡的逆止閥多相流量特性的建模方法，其特征在于，所述步驟1)具體過程如下：
3.根據權利要求2所述的融合物理知識和圖網絡的逆止閥多相流量特性的建模方法，其特征在于，所述步驟2)具體過程如下：
4.根據權利要求3所述的融合物理知識和圖網絡的逆止閥多相流量特性的建模方法，其特征在于，所述步驟3)具體過程如下：
5.根據權利要求4所述的融合物理知識和圖網絡的逆止閥多相流量特性的建模方法，其特征在于，所述步驟4)具體過程如下：
6.根據權利要求3所述的融合物理知識和圖網絡的逆止閥多相流量特性的建模方法，其特征在于，所述步驟6)具體過程如下：
【技術特征摘要】
1.融合物理知識和圖網絡的逆止閥多相流量特性的建模方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的融合物理知識和圖網絡的逆止閥多相流量特性的建模方法，其特征在于，所述步驟1)具體過程如下：
3.根據權利要求2所述的融合物理知識和圖網絡的逆止閥多相流量特性的建模方法，其特征在于，所述步驟2)具體過程如下：
4.根據權...
【專利技術屬性】
技術研發人員：鄧鴻英，劉毅，朱佳良，劉昂鵬，
申請(專利權)人：浙江工業大學，
類型：發明
國別省市：
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