一种基于本征正交分解的涡轮叶片全局物理场重构方法技术

本发明专利技术涉及一种基于本征正交分解的涡轮叶片全局物理场重构方法，属于涡轮叶片技术领域，该方法包括以下步骤：利用高精度数值模拟技术生成涡轮叶片在不同工况下的多个物理场分布历史数据，并组织成快照矩阵形式；采用本征正交分解算法针对快照矩阵计算得到一组降阶正交向量，作为物理场分布的主要模态；根据有限个数的传感器测量信息及主要模态重构涡轮叶片的全局物理场。本发明专利技术通过本征正交分解算法，实现了涡轮叶片多物理场分布的主要模态的降阶提取以及对涡轮叶片多物理场的稀疏表示，使得物理场全局重构更加快捷与准确，同时计算效率高，重构精度大，能满足数字孪生技术的实时性要求，可以基本实现涡轮叶片多物理场的精准、实时重构。实时重构。实时重构。

【技术实现步骤摘要】
一种基于本征正交分解的涡轮叶片全局物理场重构方法


[0001]本专利技术涉及涡轮叶片
，具体涉及一种基于本征正交分解的涡轮叶片全局物理场重构方法。

技术介绍

[0002]涡轮叶片是航空发动机的关键组件，它们的物理场分布提供了有关其运行性能的宝贵信息。准确而快速地获取这些物理场分布信息对于优化叶片设计、监视并调控其运行功能至关重要。然而，在工程实践中，只有通过传感器安置在有限的位置才能获得物理场的真实值。因此，必须充分利用有限的传感器测量来重建整个物理场。如果这个重构过程可以实时进行，就可以建立涡轮机叶片的数字孪生模型，这又进一步对重构算法的计算效率提出了很高的要求。
[0003]目前，物理场重构算法主要分为基于模型的物理场重构方法以及基于数据的物理场重构方法。其中，基于模型驱动的全局物理场重构算法虽然能有效实现模型预测与实测信息的数据融合，但其在高维物理场重构任务下的计算负担较重，因此其处理问题的复杂度有一定的限制，难以实现复杂三维涡轮叶片结构的温度场重构工作。相较之下，基于数据驱动的全局物理场重构算法具有较高的计算效率以及灵活性，能够处理较复杂问题的物理场重构问题，同时享有较高的计算精度及计算效率，已经如燃烧室湍流燃烧流场、温度场、涡轮壳温度场等复杂流动传热系统中实现了成功的应用，但目前针对跨声速、流热固耦合的复杂涡轮叶片的多物理场重构还没有直接的相关方法建立。
[0004]因此，基于上述技术问题及技术需求，亟需提供一种基于数据驱动的、满足实时性要求的、可根据传感器信息快速实时重构涡轮叶片全局多物理场的算法框架。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术难以处理复杂工程模型、难以满足计算效率的实时性要求等问题，本专利技术基于本征正交分解算法，提出了一种高效利用有限传感器测量数据的涡轮机叶片物理场实时重建方法，该方法可以充分利用有限的传感器测量数据，快速准确地重建整个物理场，从而建立涡轮机叶片的数字孪生模型。该方法不仅具有高精度和高实时性的优点，而且具有较强的适用性和灵活性，能够适应不同的叶片结构和工况条件，为涡轮机的设计和优化提供了有力支持。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取如下的技术方案：
[0007]一种基于本征正交分解的涡轮叶片全局物理场重构方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：利用高精度数值模拟技术生成涡轮叶片在不同工况下的多个物理场分布历史数据，并将各工况下物理场分布历史数据组织成快照矩阵的形式；
[0009]步骤二：根据所述快照矩阵，采用本征正交分解算法计算得到一组降阶正交向量，并以所述一组降阶正交向量作为物理场分布的主要模态；
[0010]步骤三：根据有限个数的传感器测量信息以及所述主要模态重构涡轮叶片的全局
物理场。
[0011]本专利技术的有益效果：
[0012](1)本专利技术提供的涡轮叶片全局物理场重构方法基于本征正交分解算法，通过特征值分析得到涡轮叶片物理场的分布的主要前几阶正交模态，再结合有限传感实测信息进行涡轮叶片物理场的重构工作，这种基于数据驱动的降阶重构思路使得涡轮叶片全局物理场重构算法可以实现准确、迅捷、有效的物理场重构工作；
[0013](2)本专利技术可以高效利用有限的测量数据重构复杂涡轮叶片的全三维温度场，从而充分利用有限的实验数据，使得分析结果更加准确，这将有助于提高涡轮效率和性能，并在发生损害前发现潜在问题；
[0014](3)本专利技术能够在不需要昂贵和耗时的实验室实验的情况下提供对涡轮叶片物理场的实时分析和预测，可以减少通过传统实验手段实现涡轮叶片热分析的成本和时间，极大提高型号研制和迭代的效率。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为本专利技术实施例所述的基于本征正交分解的涡轮叶片全局物理场重构方法的流程图。
具体实施方式
[0017]为了使本领域的技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细介绍。
[0018]如图1所示，本实施例公开了一种基于本征正交分解的涡轮叶片全局物理场重构方法，该重构方法包括以下步骤：
[0019]步骤一(S1)：利用高精度数值模拟技术生成涡轮叶片在不同工况下的多个物理场分布历史数据，并将各工况下物理场分布历史数据组织成快照矩阵的形式，作为数据来源供后续步骤提取物理场分布的主要模态调用。
[0020]进一步地，步骤一的具体实施方式为：
[0021]建立涡轮叶片几何模型并确定其网格划分；利用高精度数值模拟技术进行模拟仿真，在不同工况输入下获得涡轮叶片一系列流道温度场、流道压力场、流道速度场以及固体叶片温度场等多物理场信息，并将每个物理场以向量形式表示：
[0022][0023]其中，m是表示整个物理场的节点总数，i表示总数为n的工况条件数中第i
th
个。
[0024]进一步，将全部物理场分布组织成如下的快照矩阵的形式：
[0025][0026]其中，表示维度为m*n的实数域。
[0027]步骤二(S2)：根据步骤一得到的快照矩阵，采用本征正交分解算法计算得到一组降阶正交向量，并以该一组降阶正交向量作为物理场分布的主要模态。
[0028]本步骤主要基于本征正交分解算法，通过对步骤一得到的快照矩阵进行奇异值分解计算，得到涡轮叶片温度场分布的多阶正交模态，并根据对应模态特征值绝对值大小选取前几阶保留主模态，供后续步骤重构全局物理场调用。
[0029]进一步地，步骤二的具体实施方式为：
[0030]首先，根据快照矩阵u
snap
构建关联矩阵A如下：
[0031][0032]其中，表示维度为n*n的实数域。
[0033]然后，对关联矩阵A进行特征值求解：
[0034][0035]其中，λ
i
表示关联矩阵A的第i个特征值，表示与第i个特征值对应的特征向量。
[0036]然后可以得到一组正交向量，其数量等于快照总数n。该一组正交向量即为物理场分布的全阶模态。
[0037][0038]其中，表示维度为n*1的实数域。
[0039]从数学上讲，λ
i
的绝对值表示其对应的正交向量ψi在物理场分布中的重要性。因此，将|λ
i
|设置为降维的标准，保留具有较大特征值的向量，而舍弃不重要的向量。如果保留的模态数为r，那么在模型降维处理过程中保留的信息比例可以表示如下：
[0040][0041]最终对获得的一组正交向量进行降维处理后，得到一组降阶正交向量作为物理场分布的前r阶主要模态，这些降阶模态是后续全局物理场重构的关键。
[0042]步骤三(S3)：根据有限个数的传感器测量信息本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于本征正交分解的涡轮叶片全局物理场重构方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用高精度数值模拟技术生成涡轮叶片在不同工况下的多个物理场分布历史数据，并将各工况下物理场分布历史数据组织成快照矩阵的形式；步骤二：根据所述快照矩阵，采用本征正交分解算法计算得到一组降阶正交向量，并以所述一组降阶正交向量作为物理场分布的主要模态；步骤三：根据有限个数的传感器测量信息以及所述主要模态重构涡轮叶片的全局物理场。2.根据权利要求1所述的一种基于本征正交分解的涡轮叶片全局物理场重构方法，其特征在于，步骤一包括以下步骤：建立涡轮叶片几何模型并确定其网格划分；使用高精度数值模拟技术在不同工况输入下获得涡轮叶片一系列流道温度场、流道压力场、流道速度场以及固体叶片温度场，并将每个物理场以向量形式表示；将全部物理场分布组织成快照矩阵的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱璐，张新鑫，朱剑琴，陶智，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：