基于数字孪生的泵站机组水力部件磨损及寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字孪生的泵站机组水力部件磨损及寿命预测方法，包括：对泵站机组水力部件进行三维建模、网格划分；对泵站机组过流部件的内流的运行机理进行分析；对泵站机组水力部件进行仿真模拟；获取并存储数字孪生数据，并进行管理与深度挖掘；基于上下位机系统对泵站机组水力部件的状态进行磨损分析与修正，获取泵站机组水力部件数字孪生模型；基于泵站机组水力部件数字孪生模型对所述泵站机组水力部件进行寿命预测，获取寿命预测结果；基于所述寿命预测结果进行泵站机组水力部件的检修与更换。通过本发明专利技术建立的数字孪生模型能够精准映射泵站机组实体状态，在建立的数字孪生模型上进行水力部件磨损与寿命预测研究更适用于实际应用。研究更适用于实际应用。研究更适用于实际应用。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的泵站机组水力部件磨损及寿命预测方法


[0001]本专利技术属于数字孪生领域，特别是涉及一种基于数字孪生的泵站机组水力部件磨损及寿命预测方法。

技术介绍

[0002]水泵是不能单独工作的，需要有动力机、传动设备、管路系统和相应的建筑物配套，因此将使得水泵正常运行的总体工程设施称为泵站，泵站作为取水输水工程的一个重要部分，已在机电排灌、跨流域调水、城乡给排水等工农业生产和水力工程建设等方面得到了广泛应用。泵站机组作为泵站的主要设备，是多个泵为了满足不同的调水需求按照串并联的方式组成的系统，相较于单独的泵，运行管理与维护更加复杂。
[0003]据统计，泵系统消耗的用电量占全社会用电量的约20％，其中一部分的电量被用于泵的损耗，其中表现在泵输送的水中含有一定量的砂石颗粒，该现象在引黄灌溉工程中尤其严重，黄河年输沙量达16亿吨。河流中所挟带的泥沙，对河流上的水轮机组及泵站等造成的磨损问题十分严重，造成了严重的经济损失。而数值研究大多采用单一粒径颗粒以及球形颗粒，这与实际工程有较大差距，因此研究实际磨损是十分有必要的。
[0004]泵站机组的水力部件结构复杂，与流体接触，无法直接通过拆解来查看磨损情况，传统上采用定期检修来维护泵站机组的健康，缺乏针对性，浪费资源。数字孪生则通过物理实体与虚拟实体的迭代交互，保持两者一致性的前提下，通过虚拟实体反映物理实体的运行状况，达到更加精确磨损结果，并以此为基础来预测水力部件的剩余寿命并确定水力部件的更换时间。因此，提出了一种基于数字孪生的泵站机组水力部件磨损及寿命预测方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于数字孪生的泵站机组水力部件磨损及寿命预测方法，以解决上述现有技术存在的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于数字孪生的泵站机组水力部件磨损及寿命预测方法，包括：
[0007]获取泵站机组水力部件，对所述泵站机组水力部件进行三维建模、网格划分；
[0008]对泵站机组过流部件的内流的运行机理进行分析，确定颗粒的受力分析、固液两相流动计算模型以及磨损模型；
[0009]对所述泵站机组水力部件进行仿真模拟，获取所述泵站机组过流部件的仿真模型，使所述泵站机组水力部件仿真模型的各个元件与实际泵站机组过流部件的元件选型与设置保持一致；
[0010]获取并存储数字孪生数据，对所述数字孪生数据进行管理与深度挖掘；
[0011]基于上下位机系统对所述泵站机组水力部件的状态进行磨损分析与实时调节修正，在每次磨损分析之后重新建模，使所述泵站机组水力部件与实际情况相一致，获取泵站机组水力部件数字孪生模型；
[0012]基于所述泵站机组水力部件数字孪生模型对所述泵站机组水力部件进行寿命预测，获取寿命预测结果；
[0013]基于所述寿命预测结果进行泵站机组水力部件的检修与更换。
[0014]可选地，对所述泵站机组水力部件进行三维建模、网格划分的过程包括：
[0015]根据泵出厂尺寸资料、水力模型泵站机组过流部件的装配位置及装配关系的分析，基于三维建模软件对所述泵站机组水力部件进行虚拟零件流体域的单独建立并装配，获取泵站机组水力部件三维模型；
[0016]基于有限元分析方法对所述泵站机组水力部件三维模型进行分析，基于网格划分软件进行表面定义，并根据泵站机组过流部件的复杂程度与计算精度要求选择网格类型，进行网格质量校核与网格无关性验证。
[0017]可选地，确定颗粒的受力分析的过程中，将颗粒在流体中的受力分为：与流体颗粒相对运动无关的力、因流体颗粒间相对运动而产生的力方向沿相对运动方向的力、因流体颗粒间相对运动而产生方向垂直于相对运动方向的力。
[0018]可选地，所述固液流动计算模型包括双流体模型、单流体模型、离散相模型；所述磨损模型包括：Finnic磨损模型、Tabakoff和Grant磨损模型、McLaury磨损模型、Oka磨损模型。
[0019]可选地，对所述泵站机组水力部件进行仿真模拟的过程包括：
[0020]将泵站机组水力部件三维模型导入至仿真软件中，基于非定常计算模拟泵站机组过流部件在固液两相流条件下的内部流动问题，并设置边界条件；所述边界条件包括入口边界条件、出口边界条件、壁面边界；
[0021]设置求解条件，颗粒相的形状，颗粒与颗粒、颗粒与壁面之间的接触模型；设置求解条件的过程中，对叶轮区域采用旋转坐标系，对蜗壳部分采用静止坐标系。
[0022]可选地，对所述数字孪生数据进行管理与深度挖掘的过程中，将所述数字孪生数据划分为泵站机组过流部件运行状态数据、颗粒特性数据、运行状态与颗粒特性交互数据；
[0023]所述泵站机组过流部件运行状态数据包括间接反映泵磨损程度的外特性参数；所述颗粒特性数据包括颗粒的粒径、颗粒的浓度、颗粒形状、颗粒速度、颗粒入射角；所述运行状态与颗粒特性交互数据固液两相流之间的耦合计算。
[0024]可选地，基于上下位机系统对所述泵站机组水力部件的状态进行磨损分析与实时调节修正的过程包括：
[0025]获取泵站机组状态数据，基于所述泵站机组状态数据反映泵站机组的磨损状态；
[0026]构建数据采集平台，将设置的边界条件输入所述固液两项流动计算模型，获取仿真磨损量分析结果，基于所述仿真磨损量分析结果进行磨损分析；
[0027]基于所述仿真磨损量分析结果获取外特性数据，将所述外特性数据与所述泵站机组状态数据进行对比，基于对比结果进行实时调节修正。
[0028]可选地，基于所述泵站机组水力部件数字孪生模型对所述泵站机组水力部件进行寿命预测的过程包括：
[0029]基于所述泵站机组水力部件数字孪生模型，根据历史存储的泵站机组状态数据预测水力部件的磨损趋势以及磨损量，构建水力部件磨损过程退化模型；
[0030]基于所述水力部件磨损过程退化模型获取寿命预测结果。
[0031]可选地，所述间接反映磨损程度的历史性能参数包括泵站机组运行效率、泵站机组进出口压力、泵站机组电机功率、泵站机组的转速
[0032]可选地，构建所述水力部件磨损过程退化模型的过程中，目标量为泵站机组的运行效率，自变量为进出口压力、电机功率、转速，通过仿真分析的磨损量代表变化过程。
[0033]本专利技术的技术效果为：
[0034]本专利技术是利用泵站机组水力部件实际的几何参数、材料属性等实现对泵站机组水力部件的三维建模，网格划分；考虑固液两相流情况下的颗粒运动规律、泵的磨损机理，确定颗粒的受力分析、固液两相流动的计算模型以及磨损模型的确定；基于泵站机组过流部件几何建模与仿真软件fluent建立泵站机组过流部件的仿真模型；在进行仿真分析之后的孪生数据存储到数据库中，主要包括磨损状态对应间接反映磨损的泵站机组性能数据；通过上述步骤对模型进行重构、网格化与仿真，使其与物理实体保持一致，其中包括模型参数的分析，通过上述过程建立起泵站机组水力部件数字孪生模型。在数字孪生模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的泵站机组水力部件磨损及寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：获取泵站机组水力部件，对所述泵站机组水力部件进行三维建模、网格划分；对泵站机组过流部件的内流的运行机理进行分析，确定颗粒的受力分析、固液两相流动计算模型以及磨损模型；对所述泵站机组水力部件进行仿真模拟，获取所述泵站机组过流部件的仿真模型，使所述泵站机组水力部件仿真模型的各个元件与实际泵站机组过流部件的元件选型与设置保持一致；获取并存储数字孪生数据，对所述数字孪生数据进行管理与深度挖掘；基于上下位机系统对所述泵站机组水力部件的状态进行磨损分析与实时调节修正，在每次磨损分析之后重新建模，使所述泵站机组水力部件与实际情况相一致，获取泵站机组水力部件数字孪生模型；基于所述泵站机组水力部件数字孪生模型对所述泵站机组水力部件进行寿命预测，获取寿命预测结果；基于所述寿命预测结果进行泵站机组水力部件的检修与更换。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的泵站机组水力部件磨损及寿命预测方法，其特征在于，对所述泵站机组水力部件进行三维建模、网格划分的过程包括：根据泵出厂尺寸资料、水力模型泵站机组过流部件的装配位置及装配关系的分析，基于三维建模软件对所述泵站机组水力部件进行虚拟零件流体域的单独建立并装配，获取泵站机组水力部件三维模型；基于有限元分析方法对所述泵站机组水力部件三维模型进行分析，基于网格划分软件进行表面定义，并根据泵站机组过流部件的复杂程度与计算精度要求选择网格类型，进行网格质量校核与网格无关性验证。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的泵站机组水力部件磨损及寿命预测方法，其特征在于，确定颗粒的受力分析的过程中，将颗粒在流体中的受力分为：与流体颗粒相对运动无关的力、因流体颗粒间相对运动而产生的力方向沿相对运动方向的力、因流体颗粒间相对运动而产生方向垂直于相对运动方向的力。4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的泵站机组水力部件磨损及寿命预测方法，其特征在于，所述固液流动计算模型包括双流体模型、单流体模型、离散相模型；所述磨损模型包括：Finnic磨损模型、Tabakoff和Grant磨损模型、McLaury磨损模型、Oka磨损模型。5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的泵站机组水力部件磨损及寿命预测方法，其特征在于，对所述泵站机组水力部件进行仿真模拟的过程包括：将泵站机组水力部件三维模型导入至仿真软件...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴吉，彭文杰，王文杰，袁寿其，李彦军，过海龙，李静煜，孙菊，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：