一种多相混输泵用单向阀暂态开启高度的预测方法技术

一种多相混输泵用单向阀暂态开启高度的预测方法，包括以下步骤：(1)建立频变油气混输工况下，单向阀开启高度的计算流体动力学CFD暂态模型，为高斯过程回归GPR经验建模提供初始数据；(2)对CFD暂态模型提供的M套样本进行分类，即每套CFD仿真数据分成L个样本子集；每个样本子集单独进行学习训练，建立单向阀暂态开启高度的GPR预测子模型；(3)对GPR预测模型和CFD暂态模型进行在线评估，并以此选择最合适的GPR和CFD模型，实现对一个输入样本集

A multiphase pump with check valve opening height prediction method of transient

A multiphase pump with check valve opening height of the transient prediction method, which comprises the following steps: (1) the establishment of variable frequency oil gas condition, one-way valve open computational fluid dynamics CFD transient model of height, provide the initial data for the Gauss process GPR regression empirical modeling; (2) the CFD transient model the M set of samples for classification, namely each CFD simulation data into L sample subsets; each subset is trained separately, a one-way valve opening height of the transient GPR prediction model; (3) the online assessment of the GPR prediction model and transient model of CFD, GPR and CFD and to select the most appropriate model. For an input data set

【技术实现步骤摘要】
一种多相混输泵用单向阀暂态开启高度的预测方法
本专利技术涉及多相混输泵设计阶段重要参数建模和预测方法的
，特别涉及一种通用的适合复杂频变油气混输工况下，混输泵用单向阀暂态开启高度的非线性集成概率建模和预测方法。
技术介绍
油气混输泵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。出口立式单向阀是往复式内压缩混输泵的重要水力部件，提供了气液两相聚集增压的功能，确保混输泵在频变工况下可靠运行。然而，由于油井产出物往往伴随有天然气、水等多相介质，产生的非均相流频繁交变冲击载荷，会迫使阀芯开启瞬间发生偏移、颠簸、撞击和悬浮，引发气蚀、回流和段塞流等现象，造成单向阀弹簧疲劳损坏失效。同时，引发的压力波动会产生噪声、振动，并进一步导致输送流量减少、泵效降低。因此，构建单向阀开启运动特性与复杂的油气混输工况间相互作用机制，对指导单向阀工程设计，确保混输泵稳定运行具有重要意义。近年来，国内外许多学者基于机理模型、计算流体力学(CFD)仿真技术对单向阀的运动进行了研究。大多数机理模型都基于Botros和Raymeyer提出的，用以描述核工业热液系统旋启式止回阀启闭角度的方程。由于瞬时多相耦合、湍流等复杂现象，现有的机理模型研究基本都集中在纯液相流和热液系统，很少涉及复杂的多相流。除此之外，由于复杂的内部流场特征，机理模型用于工程实践时，不得不做一些假设。例如，由于阀隙周围的暂态压力分布无法测量，实际用连接阀进出口管道处压力值代替。因而，现有的机理模型不足以描述油气混输工况下，单向阀的瞬时开启特性。CFD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，CFD仿真结果的好坏在很大程度上依赖研究者的经验。例如，网格的划分质量、湍流模型的选择等。因而，纵览关于核工业热液系统的单向阀运动CFD建模，仅湍流模型的选择就有标准k-ε模型，RNGk-ε模型，可实现k-ε模型，SSTk-ω模型，Schnerr-Sauer气蚀模型等。所以，CFD建模的合理性，通常需要实验验证。然而，由于油气混输单向阀的暂态开启过程是个非常迅速、非线性的时变过程，其阀隙周围的暂态压力等参数分布难以在线测量，很难对暂态模型的合理性进行验证。因此，有必要建立一种通用性较强，准确度较高的单向阀暂态开启高度模型以适应复杂频变的油气混输工况。近几年，高斯过程回归(GPR)模型以不需要实质性的了解复杂的内部现象，不需要过多的依赖设计者的经验，且能同时为预测值提供不确定度信息等优点，已被用于预测复杂非线性工业过程的不可测变量。这些优势可同时解决上述机理建模和CFD建模的难题，为单向阀暂态开启高度建模和预测提供一种新方法。然而，经文献检索发现，GPR模型用于预测多相混输单向阀暂态开启高度的却没有。同时，考虑实验获取大量稳定可靠数据的困难，可利用CFD暂态建模的优势，为GPR经验建模提供初始的建模数据。而GPR训练模型的预测不确定信息可用来代替实验对CFD暂态建模过程的合理性进行评估，以辅助CFD设计。进一步，考虑混输工况复杂多变，单个CFD和GPR模型的预测范围有限，多个CFD和GPR模型可以整合在一起，较完整的描述整个复杂过程特性。
技术实现思路
本专利技术要克服现有技术的上述缺点，提供一种混输泵用单向阀暂态开启高度的非线性集成概率建模和预测方法。本专利技术针对机理和CFD建模过程存在的不足和缺陷，提出了一种基于多个GPR预测模型和CFD仿真模型的集成概率建模和预测方法，可以较有效的针对频变复杂混输工况下，单向阀暂态开启高度的特点，提取相关特征信息，提高单向阀暂态开启高度模型的预测准确度和可靠程度。一种多相混输泵用单向阀暂态开启高度的预测方法，包括以下步骤：(1)建立频变油气混输工况下，单向阀开启高度的计算流体动力学CFD暂态模型，为高斯过程回归GPR经验建模提供初始数据；首先，分析阀暂态开启运动特征及影响因素，确定CFD暂态模型的输入和输出变量；其次，为减少网格划分导致的误差，建模中采用网格重划技术，并进行网格无关性验证；最后，考虑油气混输工况下，阀隙内部流场可能出现的湍流现象，选取M种湍流模型，采用并行建模获得M套相应的CFD仿真数据；(2)对CFD暂态模型提供的M套样本进行分类，即每套CFD仿真数据分成L个样本子集；每个样本子集单独进行学习训练，建立单向阀暂态开启高度的GPR预测子模型；首先，根据油气混输实际工况，将具有相同阀芯材料和弹簧刚度系数的单向阀在不同入口流量和含气率下的样本归为一个样本子集；第m个CFD暂态模型(简记为CFDm,m＝1,…,M)提供的仿真数据Sm被分成L个样本子集，可表示为其中Sml表示第l个样本子集，即Nml表示Sml包含的样本个数；其次，每个样本子集单独进行学习训练，各自建立单向阀暂态开启高度的子模型则Sml的输出可表示为：式中，Cml表示协方差矩阵，其第i行第j列元素可表示为：式中,xml,id表示xml,i的第d个元素；i＝j，则δml,ij＝1，否则δml,ij＝0；θml＝[aml,0,aml,1,vml,0,wml,1,…,wml,d,bml]T表示模型参数；最后，对T个测试样本集(Nt表示第t个测试样本集包含的样本个数)，其预测输出可表示如下：式中，表示新的输入样本和训练样本间的协方差；kml,ti＝C(xt,i,xt,i)是新输入样本的协方差；是一个非负数，表示模型预测输出的标准差，它能用来描述一个输入样本和其预测模型的不确定度；如果一个不合适的模型对测试样本xt,i进行了预测，则相应的值就大；这样，利用公式(1)和公式(2)，CFDm,m＝1,…,M训练的L个GPR模型完成了离线建模，定义为对一个新的输入样本，L组基于GPR模型在线预测信息可分别从公式(3)和公式(4)计算获取；(3)对GPR预测模型和CFD暂态模型进行在线评估，并以此选择最合适的GPR和CFD模型，实现对一个输入样本集的在线和离线预测；首先，基于贝叶斯理论，提出条件概率对模型和输入集的每个样本xt,i之间的关系进行评估；可计算如下：式中，和分别是先验和条件概率；可定义如下：式中，表示第m套训练样本总数；为了求出公式(5)中的其他项，样本的相对预测误差可进一步修改为：式中，因为真实值yt,i未知，所以用预测值替代；因为较大的说明做为输入样本的预测模型不合适，因此条件概率可定义如下：公式(5)也因此可表示为：基于概率分析方法，对新的测试样本xt,i而言，越大，则模型越合适对其进行预测；因此，不需要知道实际输出，公式(9)就能提供一种评估模型对单个样本预测能力的方法；其次，提出一个整合的概率指标，对模型和每个输入样本集之间的关系进行评估；整合的条件概率指标可表述如下：的平均值(简称MECP)定义如下：采用对公式(9)相同的分析方法，可知，越大，则相应的模型越适合预测测试样本集Xt；具有最大的(简称MP指标)的模型最合适用于测试样本集Xt的预测，其预测值和协方差可分别从公式(3)和公式(4)获得；因此，基于MECP指标，可为测试样本集Xt从CFDm,m＝1,…,M训练的L个GPR模型中，选择一个最合适的GPR模型进行在线预测；最后，基于MP指标，对CFD暂态模型和每个输入样本集Xt之间的关系进行评本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多相混输泵用单向阀暂态开启高度的预测方法，包括以下步骤：(1)建立频变油气混输工况下，单向阀开启高度的计算流体动力学CFD暂态模型，为高斯过程回归GPR经验建模提供初始数据；首先，分析阀暂态开启运动特征及影响因素，确定CFD暂态模型的输入和输出变量；其次，为减少网格划分导致的误差，建模中采用网格重划技术，并进行网格无关性验证；最后，考虑油气混输工况下，阀隙内部流场可能出现的湍流现象，选取M种湍流模型，采用并行建模获得M套相应的CFD仿真数据；(2)对CFD暂态模型提供的M套样本进行分类，即每套CFD仿真数据分成L个样本子集；每个样本子集单独进行学习训练，建立单向阀暂态开启高度的GPR预测子模型；首先，根据油气混输实际工况，将具有相同阀芯材料和弹簧刚度系数的单向阀在不同入口流量和含气率下的样本归为一个样本子集；第m个CFD暂态模型提供的仿真数据Sm被分成L个样本子集，可表示为

【技术特征摘要】
1.一种多相混输泵用单向阀暂态开启高度的预测方法，包括以下步骤：(1)建立频变油气混输工况下，单向阀开启高度的计算流体动力学CFD暂态模型，为高斯过程回归GPR经验建模提供初始数据；首先，分析阀暂态开启运动特征及影响因素，确定CFD暂态模型的输入和输出变量；其次，为减少网格划分导致的误差，建模中采用网格重划技术，并进行网格无关性验证；最后，考虑油气混输工况下，阀隙内部流场可能出现的湍流现象，选取M种湍流模型，采用并行建模获得M套相应的CFD仿真数据；(2)对CFD暂态模型提供的M套样本进行分类，即每套CFD仿真数据分成L个样本子集；每个样本子集单独进行学习训练，建立单向阀暂态开启高度的GPR预测子模型；首先，根据油气混输实际工况，将具有相同阀芯材料和弹簧刚度系数的单向阀在不同入口流量和含气率下的样本归为一个样本子集；第m个CFD暂态模型提供的仿真数据Sm被分成L个样本子集，可表示为其中Sml表示第l个样本子集，即Nml表示Sml包含的样本个数，第m个CFD暂态模型简记为CFDm,m＝1,…,M；其次，每个样本子集单独进行学习训练，各自建立单向阀暂态开启高度的子模型则Sml的输出可表示为：式中，Cml表示协方差矩阵，其第i行第j列元素可表示为：式中,xml,id表示xml,i的第d个元素；i＝j，则δml,ij＝1，否则δml,ij＝0；θml＝[aml,0,aml,1,vml,0,wml,1,…,wml,d,bml]T表示模型参数；最后，对T个测试样本集Nt表示第t个测试样本集包含的样本个数，其预测输出可表示如下：式中，表示新的输入样本和训练样本间的协方差；kml,ti＝C(xt,i,xt,i)是新输入样本的协方差；是一个非负数，表示模型预测输出的标准差，它能用来描述一个输入样本和其预测模型的不确定度；如果一个不合适的模型对测试样本xt,i进行了预测，则相应的值就大；这样，利用公式(1)和公式(2)，CFDm,m＝1,…,M训练的L个GPR模型完成了离线建模，定义为对一个新的输入样本，L组基于GPR模型在线预测信息可分别从公式(3)和公式(4)计算获取；(3)对GPR预测模型和CFD暂态模型进行在线评估，并以此选择最合适的GPR和CFD模型，实现对一个输入样本集的在线和离线预测；首先，基于贝叶斯理论，提出条件概率对模型和输入集的每个样本xt,i之间的关系进行评估；可计算如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘毅，邓鸿英，张生昌，高增梁，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33