一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法技术

本发明专利技术公开的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法，属于船舶工业和流体机械技术领域。本发明专利技术通过信号训练、参数辨识及状态变换、双线性变换建立连续状态空间水动力降阶模型，计算其矩阵特征值并结合流场稳定性判据判断流场的稳定性；通过对参考水翼进行三维建模、有限元分析和Theodorsen理论计算，得到考虑水的附加质量效应的质量矩阵、刚度矩阵和结构运动方程，建立连续状态空间参数化结构降阶模型；耦合水动力降阶模型与参数化结构降阶模型建立参数化水弹性流固耦合降阶模型，结合参数化水弹性流固耦合降阶模型矩阵特征值和水弹性流固耦合系统稳定性判据，提高水翼稳定性预测精度和效率。本发明专利技术能够分析水弹性流固耦合系统失稳边界随质量比的变化规律，解决水翼优化应用等相关工程技术问题。翼优化应用等相关工程技术问题。翼优化应用等相关工程技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法


[0001]本专利技术涉及一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法，属于船舶工业和流体机械


技术介绍

[0002]水力机械作为重要的能源装备，在水电开发、跨流域调水、城镇供排水、农业灌溉以及石油工业、化学工业、航天工程、海洋工程、环境工程等众多关系国民经济发展和国家安全的领域都有着广泛的应用。随着材料科学的发展，弹性材料开始广泛应用于水力机械，以减轻设备重量和提高运行效率。相比于传统金属材料，弹性结构在极端力学环境诸如复杂涡系和非定常空化流动下，容易引发变形和振动，使水弹性响应的研究更加复杂。尤其是当锁频现象发生时，往往会伴随快速而剧烈的结构振动发散，结构振幅增大，从而导致结构失稳失效，进而影响设备工作稳定性，甚至对整个系统产生破坏。
[0003]目前，基于CFD/CSD流固耦合数值计算方法虽然能较好地反映非定常湍流结构及其诱导结构振动响应的时域和频域特征，但对湍流结构捕捉更加精细化、对水动力预报更加精准化的要求使得计算的时间和空间复杂度显著加剧。同时，对于复杂水弹性系统的锁频失稳缺乏精准的预报，基于有限CFD仿真数据构造能够描述高阶空化湍流流动系统主要特征的降阶模型，为预测复杂水弹性流固耦合系统的稳定性提供了更新的契机。

技术实现思路

[0004]为了解决现有流固耦合算法计算量庞大且水翼稳定性预测精度低的问题，本专利技术的主要目的是提供一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法，通过信号训练、参数辨识及状态变换、双线性变换建立连续状态空间水动力降阶模型，通过计算其矩阵特征值并结合流场稳定性判据判断流场的稳定性，进而提高对水翼流场稳定性的预测效率；通过对参考水翼进行三维建模，有限元分析和Theodorsen理论计算，得到考虑水的附加质量效应的质量矩阵、刚度矩阵和结构运动方程，进而通过状态变换建立连续状态空间参数化结构降阶模型；耦合连续状态空间水动力降阶模型和连续状态空间参数化结构降阶模型，建立参数化水弹性流固耦合降阶模型，构建水弹性流固耦合系统稳定性判据，结合参数化水弹性流固耦合降阶模型矩阵特征值和所述水弹性流固耦合系统稳定性判据，提高水弹性流固耦合系统稳定性的预测精度和效率。本专利技术能够以相对质量比为变量，分析水弹性流固耦合系统失稳边界随质量比的变化规律，优化改善水翼设计，避免水翼流固耦合系统锁频现象发生时水翼结构破坏，延长水翼构件的使用寿命。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0006]本专利技术公开的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：采集参考水翼的结构位移输入信号，以水动力响应作为输出，进行信号训练与参数识别，建立ARX模型的离散差分方程。
[0008]步骤2：基于步骤1建立的ARX模型的离散差分方程，通过状态变换及双线性变换建
立连续状态空间水动力降阶模型。
[0009]步骤3：计算连续状态空间水动力降阶模型矩阵的特征值，构建流场稳定性判据，根据特征值实部的正负判断流场的稳定性，进而提高对参考水翼流场稳定性的预测效率。
[0010]步骤4：通过对参考水翼进行三维建模，有限元分析和Theodorsen理论计算，得到考虑水的附加质量效应的水翼质量矩阵、刚度矩阵和结构运动方程。
[0011]步骤5：基于步骤4得到的考虑水的附加质量效应的结构运动方程，进而通过状态变换建立连续状态空间参数化结构降阶模型。
[0012]步骤6：耦合步骤2得到的连续状态空间水动力降阶模型和步骤5得到的连续状态空间参数化结构降阶模型，建立参数化水弹性流固耦合降阶模型。
[0013]步骤7：计算参数化水弹性流固耦合降阶模型矩阵的特征值，构建水弹性流固耦合系统稳定性判据。根据参数化水弹性流固耦合降阶模型矩阵特征值实部的正负和所述流固耦合系统稳定性判据，提高流固耦合系统稳定性的预测精度和效率。
[0014]还包括步骤8：以相对质量比为变量，通过获取不同相对质量比水翼的流固耦合系统模型特征根轨迹图，高效率高精度地分析水弹性流固耦合系统失稳边界随质量比的变化规律，优化改善水翼设计，避免水翼流固耦合系统锁频现象发生时水翼结构破坏，延长水翼构件的使用寿命。
[0015]作为优选，所述的步骤1中，得到ARX模型的离散差分方程，如下
[0016][0017]其中ξ是输入信号，f
a
是输出量。A
i
和B
i
为训练后辨识得到的系数矩阵，na和nb分别为输入和输出量的延迟阶数。
[0018]作为优选，所述的步骤2中，通过状态变换及双线性变换建立连续状态空间水动力降阶模型，如下
[0019][0020]其中，x
a
是水动力降阶模型的连续状态空间的状态变量，ξ是该状态空间的输入，f
a
为该状态空间的输出，t为第t时刻，A
a
、B
a
、C
a
、D
a
为水动力降阶模型的连续状态空间参数。
[0021]作为优选，所述的步骤3中，给出参考水翼模型流场的稳定性判据，如下
[0022][0023]作为优选，所述的步骤4中，通过对参考水翼进行三维建模，有限元分析和Theodorsen理论计算，得到考虑水的附加质量效应的水翼质量矩阵、刚度矩阵和结构运动方程，实现方法如下：
[0024]首先基于三维建模软件，建立参考水翼模型，获得广义质量矩阵和刚度矩阵，如下
[0025][0026]其中m、S
θ
、I
θ
、K
h
、K
θ
分别为单位展长水翼的质量、对刚心的质量静矩、对刚心的质量惯性矩、弯曲刚度和扭转刚度。
[0027]然后给出基于Theodorsen理论计算的附加质量矩阵和附加刚度矩阵，如下
[0028][0029][0030]其中U为来流速度，ρ
f
为水的密度，a、b分别为水翼弹性轴到弦中点的距离、水翼半弦长，k＝ωb/U为减缩频率，ω为系统固有频率。C(k)为Theodorsen函数。
[0031]不考虑响应幅值，令阻尼矩阵为0。通过与广义质量矩阵、刚度矩阵组合，得到考虑水的附加质量效应的质量矩阵和刚度矩阵，进而得到结构运动方程，如下
[0032][0033]其中ξ表示结构广义加速度和位移，F
CFD
表示外力。
[0034]作为优选，所述的步骤5中，通过状态变换建立连续状态空间参数化结构降阶模型，如下
[0035][0036]其中，x
s
是参数化结构降阶模型连续状态空间的状态变量，ξ是该状态空间的输入，f
a
为该状态空间的输出，t为第t时刻，A
s
、B
s
、C
s
、D
s
为水动力降阶模型的连续状态空间参数，分别为：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1：采集参考水翼的结构位移输入信号，以水动力响应作为输出，进行信号训练与参数识别，建立ARX模型的离散差分方程；步骤2：基于步骤1建立的ARX模型的离散差分方程，通过状态变换及双线性变换建立连续状态空间水动力降阶模型；步骤3：计算连续状态空间水动力降阶模型矩阵的特征值，构建流场稳定性判据，根据特征值实部的正负判断流场的稳定性，进而提高对参考水翼流场稳定性的预测效率；步骤4：通过对参考水翼进行三维建模，有限元分析和Theodorsen理论计算，得到考虑水的附加质量效应的水翼质量矩阵、刚度矩阵和结构运动方程；步骤5：基于步骤4得到的考虑水的附加质量效应的结构运动方程，进而通过状态变换建立连续状态空间参数化结构降阶模型；步骤6：耦合步骤2得到的连续状态空间水动力降阶模型和步骤5得到的连续状态空间参数化结构降阶模型，建立参数化水弹性流固耦合降阶模型；步骤7：计算参数化水弹性流固耦合降阶模型矩阵的特征值，构建水弹性流固耦合系统稳定性判据；根据参数化水弹性流固耦合降阶模型矩阵特征值实部的正负和所述流固耦合系统稳定性判据，提高流固耦合系统稳定性的预测精度和效率。2.如权利要求1所述的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法，其特征在于：还包括步骤8，以相对质量比为变量，通过获取不同相对质量比水翼的流固耦合系统模型特征根轨迹图，高效率高精度地分析水弹性流固耦合系统失稳边界随质量比的变化规律，优化改善水翼设计，避免水翼流固耦合系统锁频现象发生时水翼结构破坏，延长水翼构件的使用寿命。3.如权利要求1或2所述的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法，其特征在于：所述的步骤1中，得到ARX模型的离散差分方程，如下其中ξ是输入信号，f
a
是输出量；A
i
和B
i
为训练后辨识得到的系数矩阵，na和nb分别为输入和输出量的延迟阶数。4.如权利要求3所述的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法，其特征在于：所述的步骤2中，通过状态变换及双线性变换建立连续状态空间水动力降阶模型，如下其中，x
a
是水动力降阶模型的连续状态空间的状态变量，ξ是该状态空间的输入，f
a
为该状态空间的输出，t为第t时刻，A
a
、B
a
、C
a
、D
a
为水动力降阶模型的连续状态空间参数。5.如权利要求4所述的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法，其特征在于：所述的步骤3中，给出参考水翼模型流场的稳定性判据，如下
。6.如权利要求5所述的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法，其特征在于：所述的步骤4中，通过对参考水翼进行三维建模，有限元分析和Theodorsen理论计算，得到考虑水的附加质量效应的水翼质量矩阵、刚度矩阵和结构运动方程，实现方法如下：首先基于三维建模软件，建立参考水翼模型，获得广义质量矩阵和刚度矩阵，如...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝会云，刘韵晴，吴钦，刘影，黄彪，王国玉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：