一种基于代理模型的海洋条件下大容器液位快速预测方法技术

本发明专利技术提供一种基于代理模型的海洋条件下大容器液位快速预测方法，包括如下步骤：大容器几何模型建立、网格划分、海洋条件模型建立、计算流体动力学软件求解器设置、数值计算求解、液位变化数据、训练样本和测试样本整理、液位代理模型构建、模型验证与校验、不同条件的液位预测。本发明专利技术克服在海洋条件下大容器液位预测难度大且成本高的问题，可以在保证预测精度的同时，快速获得大容器液位在不同海洋条件下的变化情况，可为大容器的结构设计以及液位控制系统提供支撑，确保控制系统动作的准确性与核动力装置的安全性。性与核动力装置的安全性。性与核动力装置的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于代理模型的海洋条件下大容器液位快速预测方法


[0001]本专利技术涉及一种大容器自由液位预测的方法，属于船舶动力装置的液位控制
具体涉及一种基于代理模型的海洋条件下大容器液位快速预测方法。

技术介绍

[0002]船舶在海洋环境中运行，受到风、浪等海洋条件的影响，船舶会产生复杂的运动，典型的运动包括横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇等。对于船用核动力装置而言，稳压器、蒸汽发生器和冷却水箱等大容器在海洋条件下极易发生容器内部的自由液面晃动。剧烈的液面波动严重影响液位测量，干扰控制系统的正常动作，进而威胁船舶动力装置的运行稳定性及安全性。
[0003]现有对海洋条件下大容器液位等水力学特性的研究手段主要是数值模拟和实验方法，但实验方法存在着实验条件严格、初始条件不易保证、测量记录判断困难和实验成本高等诸多不足。而采用计算流体力学(CFD)数值模拟的计算负担较大，通常只能针对局部现象或单一设备进行研究，难以实现对整个船舶动力系统进行建模，进而无法得到对全系统范围内运行特性的影响。同时由于海洋条件复杂多变，不同的运动类型与运动参数对大容器液位变化的影响规律各不相同，通过实验或CFD方法难以覆盖全部情况。开发基于代理模型的液位预测方法能实现不同海洋条件下的液位快速预测，显著降低计算负担，具有十分重要的实际应用意义。
[0004]专利技术目的
[0005]本专利技术的目的是为了克服在海洋条件下大容器液位预测难度大且成本高的问题，而提供一种基于代理模型的大容器液位快速预测方法，可以在保证预测精度的同时，快速获得大容器液位在不同海洋条件下的变化情况，可为大容器的结构设计以及液位控制系统提供支撑，确保控制系统动作的准确性与核动力装置的安全性。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：
[0007]1.建立大容器自由液面的CFD模型，大容器可为矩形、圆柱形、球形等结构，具体包括使用能够详细表征大容器内部水力学状态的计算流体力学CFD程序建立装液大容器的几何模型，确定大容器尺寸和初始静态液位高度、容器内液体物性等参数；
[0008]2.在不同的海洋条件作用下，上述的大容器发生的相对运动，将复杂多自由度运动逐一分解为几种典型单自由度运动，包括横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇等；分析所述各单一运动条件下装液大容器内液体的受力特点，对所述液体所受切向力、科式力、重力和离心力在非惯性坐标系下分别展开受力分解；
[0009]3.分析海洋条件对容器内液体的作用机理，对所述单一运动分别建立不同方向上的附加力模型，修改CFD程序的本构模型，使其能够准确模拟海洋条件对大容器液位的影响；
[0010]4.对所述不同海洋条件下大容器自由液面进行CFD模拟分析，改变海洋条件状态参数，通过数值计算得到对应条件下的计算结果即容器内液体的水力学参数，海洋条件状
态参数主要包括：海洋条件运动形式及其幅值和频率等，液体的水力学参数包括：液位动态变化值等；以此构建CFD模拟数据库；
[0011]5.利用所述CFD模拟数据库，按输入变量和输出变量之间的关系整理得到大容器液位的训练样本和测试样本，输入变量即海洋条件参数，输出变量即不同条件参数对应的自由液位参数，构建海洋条件下大容器液位代理模型，如神经网络模型、克里金模型等，并根据所选模型，合理设置模型内部参数，如输入层、隐藏层、输出层神经元个数等。
[0012]6.基于训练集数据对对所述自由液面液位代理模型进行测试，验证所构建的代理模型，确保所得模型精度满足预期要求；
[0013]7.使用所构建的海洋条件下大容器液位代理模型，以不同的海洋条件参数作为输入条件，能够快速预测在不同海洋条件下的大容器自由液位变化，服务于系统程序分析与控制。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0015]本专利技术使用CFD计算结果训练代理模型，能够精确模拟海洋条件下大容器内部空间各点的流场参数，克服了系统级程序只能粗糙模拟一维液面的缺陷，能够精确获得海洋条件下大容器内液位的瞬态值与内部流场分布。避免复杂CFD程序的带来的计算负担，相比于实验研究，显著降低了成本。同时本方法能够根据影响液位变化的主要因素，快速、准确地预测出不同海洋条件下大容器的液位，提高了大容器液位波动时控制系统操作的实时性，可用于支持全范围的系统分析与控制研究，在实际工程中具有广阔的应用前景。
附图说明
[0016]图1为本专利技术方法技术流程图；
[0017]图2为本实例中的矩形大容器自由液面形状变化示意图；
[0018]图3为本实例中的矩形大容器液位时序变化示意图。
具体实施方式
[0019]下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。
[0020]如图1所示为本专利技术方法技术流程图，下面详细描述本专利技术方法实施步骤：
[0021]1.建立大容器自由液面的CFD模型。具体的建模方法为：以二维矩形装液大容器为例，首先明确所述对象的几何尺寸和初始静态液位高度、容器内液体物性等参数；对其几何模型进行网格划分并定义边界属性，矩形大容器壁面为刚性无滑移壁面；
[0022]2.根据不同的海洋条件作用下，所述的大容器发生的相对运动将复杂多自由度运动逐一分解为几种典型单自由度运动，包括横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇等；分析所述各单一运动条件下装液大容器内液体的受力特点，对所述液体所受切向力、科式力、重力和离心力在非惯性坐标系下分别展开受力分解；
[0023]在本实施例中，以矩形容器的横摇运动为例，介绍海洋条件下附加力机理与模型。
[0024]摇摆运动的角度变化规律为：
[0025]θ(t)＝θ
m
sin(2πt/T)
[0026]角速度及角加速度可分别表示为：
[0027]ω(t)＝θ
m
(2π/T)cos(2πt/T)
[0028]β(t)＝
‑
θ
m
(2π/T)2sin(2πt/T)
[0029]其中，θ(t)为瞬时摇摆角度，rad；θ
m
为最大摇摆角度，rad；T为摇摆周期，s；ω(t)为瞬时角速度，rad/s；β(t)为瞬时角加速度，rad/s2。
[0030]分析横摇运动条件下装液容器内液体的受力特点，对所述液体所受切向力、科式力、重力和离心力在非惯性坐标系下分别展开受力分解。受到的惯性力如下：
[0031][0032]海洋力场：
[0033][0034]式中，g为重力加速度，m/s2；a0为非惯性系平移加速度，m/s2；ω为瞬时角速度，rad/s；β为瞬时角加速度，rad/s2；u
r
为流体质点相对速度，rad/s；r为流体质点位置矢量；为离心加速度；为切向加速度；为科式加速度；
[0035]3.分析所述横摇运动条件对液体的作用机理，在受力分析结果的基础上，对所述横摇运动分别建立不同坐标方向上的附加力源项模型，修改所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于代理模型的海洋条件下大容器液位快速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立大容器自由液面的CFD模型：使用能够详细表征大容器内部水力学状态的计算流体力学CFD程序建立装液大容器的几何模型，确定大容器尺寸、初始静态液位高度和容器内液体物性；(2)在不同的海洋条件作用下，上述的大容器发生的相对运动，将复杂多自由度运动逐一分解为几种典型单自由度运动，包括横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇；分析所述各单一运动条件下装液大容器内液体的受力特点，对所述液体所受切向力、科式力、重力和离心力在非惯性坐标系下分别展开受力分解；(3)分析海洋条件对容器内液体的作用机理，对所述单一运动分别建立不同方向上的附加力模型，修改CFD程序的本构模型，使其能够准确模拟海洋条件对大容器液位的影响；(4)对所述不同海洋条件下大容器自由液面进行CFD模拟分析，改变海...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晨阳，韦晓静，夏庚磊，张元东，王航，彭敏俊，成守宇，朱海山，杜雪，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：