本发明涉及一种监测技术，特别涉及一种水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法。
背景技术
目前对于水力机械内部流场的研究主要有以下两种方法。其一，在流场内设计监测点，通过对其监测点上流场特征量(如速度、压力、涡量等)的时频域分析来获得所研究位置的非定常流动的周期及传播特征等。监测点的流场特征量可通过实验及数值模拟方法得到(如对监测点的压力脉动进行互功率谱及2d傅里叶变换等，获得失速频率和失速团的个数及周向传播速度等量化的非定常流动特征)。
其二，通过流场可视化分析，对水力机械内部流场进行研究。学者采用试验(如粒子图像测速仪(piv)、高速摄影仪等)及数值模拟方法，获得流场在二维或三维空间的分布，并通过对该空间内速度、压力、涡量等流场特征量的分布来研究流场的流态及非定常流动发生的位置和其随时间变化的规律。
申请号201410439665.2，名称为“一种湍流发生器piv测量系统”的发明专利采用液压装置及采用平面镜折射湍流发生器内部流场，实现对湍流发生器内部流场的piv测量，获得内部流场轴向和径向方向的piv测量，但本专利常用于一维流场的分析。申请号201420266403.6，名称为“一种离心泵内部非定常流动可视化试验装置”的发明专利通过离心泵、高速摄影仪、光源发生器等装置弥补了常用流场可视化实验不可在开式试验台上进行的不足，通过对监测点流场特征量的时频域分析，可以获得丰富的非定常流动特征，如周期频率、传播速度、作用强度等，是对流场中的流动特征定量分析最为有效的方法。但是由于该方法仅对一维流场特征量进行分析，无法获得水力机械内流场的分布规律。流场可视化频域分析弥补了这一不足，该方法对水力机械内部流场进行研究，通过分析该空间内分布的速度、压力、涡量等流场特征量来研究流场的流态及非定流动发生的位置和其随时间变化的规律。流场可视化分析方法可以直观的展现水力机械内部的流场分布和各过流部件内流场之间的相互关系。
流场可视化频域分析虽弥补了对监测点上流场特征量时频域分析方法的不足，但目前所进行的流场可视化研究多集中在对其获得的瞬时流场特征量进行分析。而水力机械在非设计工况下运行时，内部流动往往非常复杂，流场内同时存在多种不同的周期性非定常流动，它们相互作用影响，瞬时流场的分析无法获得较为系统全面流动特征。
技术实现要素：
本发明是针对现流场可视化频域分析存在的问题，提出了一种水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法，结合流场特征量一维频域分析的优势和流场可视化方法的特点，建立一种水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法。提出的方法可有效的诊断水力机械内部非定常流动结构的特征(如对应的特征频率、传播特征、是否为稳定作用过程等)，并通过二维再现直观的显示该非定常流动结构在过流部件内的分布位置、形状及作用强度。
本发明的技术方案为：一种水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法，具体包括如下步骤：
1)将流场中采集的一维特征量时域信号进行快速傅里叶变换，获得该特征量离散峰值频率f1，f2，...fn及对应幅值大小a1，a2，...an；同时对该特征量的时域信号进行高阶谱分析获得其频域中的非线性频率ft1，ft2，...ftn；非线性频率ft1，ft2，...ftn为水力机械内部不稳定流动对应的特征频率；
2)空间上的运动特征分为周向传播、轴向传播和静止三种状态；采用多点监测值的互谱分析，得到水力机械内部不稳定流动对应的特征频率下周向或轴向上的相位差，通过分析多点互谱相位差确定该不稳定流动是否是周向传播、轴向传播或静止；同时，采用多点监测值的交叉小波变换，诊断该不稳定流动随时间变化的特征；得到在不稳定流动对应的特征频率下的流动特征
3)利用步骤1)得到的不稳定流动对应的特征频率通过时频域转换技术关联步骤2)对应流动特征，得到特征频率值所对应的流场特征二维流场分布图，该图显示不稳定流动对应的特征频率下流场特征量在各过流部件的分布情况，通过该频率下对应二维分布图直观观察到对应不稳定流动发生的具体位置及强度。
本发明的有益效果在于：本发明水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法，对流场可视化研究获得的二维空间流场特征量进行频域分析，直观表现各种不同特征频率的非定常流动在各过流部件中分布及作用情况。适用于流场的时域分析。
附图说明
图1为本发明水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法流程图；
图2为本发明在压力传感器下获得的数据经过交叉小波变换得到的结果图；
图3a为本发明对某水力机械通过试验方法得到的流道内流动图；
图3b为本发明相同条件下该水力机械数值数值模拟方法得到对应流道内的流线图；
图4为依据本发明方法获取的二维特征频率fte下速度分布图。
具体实施方式
如图1所示水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法流程图，包括两部分：1、非定常流动一维流场特征量诊断模型——诊断非定常流动结构及其特征，2、非定常流动二维流场特征量频域再现——可直观的显示该非定常流动的形状、作用强度及发生位置。
在非定常流动一维流场特征量诊断模型中，诊断过程分为非定常流动结构的特征频率诊断及其动态特征诊断两部分。1.1特征频率诊断中，将流场中采集的一维特征量时域信号进行快速傅里叶变换(简称fft)，可获得该特征量离散峰值频率(f1，f2，...fn)及对应幅值大小(a1，a2，...an)；同时对该特征量的时域信号进行高阶谱分析可获得其频域中的非线性频率(ft1，ft2，...ftn)。fft变换得到的离散峰值频率fi(i＝1，...，n)是高阶谱分析中得到的非线性频率fti(i＝1，...，n)的线性组合，可用公式fn＝aft1+bft2+…+nftn表示，式中a～n为常数。非线性频率fti(i＝1，...，n)为水力机械内部不稳定流动对应的特征频率。1.2动态特征诊断获得非定常流动结构的运动特征和随时间变化的特征。空间上的运动特征分为周向传播、轴向传播和静止三种状态；采用多点监测值的互谱分析，得到所研究的非定常流动对应特征频率下周向或轴向上的相位差，通过分析多点互谱相位差确定该非定常流动是否是周向传播、轴向传播或静止。同时，采用多点监测值的交叉小波变换(crosswavelet)，诊断该非定常流动随时间变化的特征。以两个周向分布监测点的压力脉动时域信号为例，图2为在压力传感器下获得的数据经过交叉小波变换得到的结果，即利用动态特征诊断得到空间周向排列的2压力监测点信号不同频率下脉动随时间变化的分布图，图2横坐标为时间，纵坐标为st(st为频率的无量纲数)，云图上的灰度表示互小波幅值的大小。以特征频率st＝0.3325的压力脉动为例，其幅值随时间变化是呈脉动状的，因此该频率所对应的非定常流动是非稳定作用的过程。箭头表示两个信号间的相位差，箭头在同一方向表示相位没有变化。得到在不稳定流动对应的特征频率下的流动特征。
非定常流动二维流场特征量频域再现：在这个过程中，首先通过实验或数值仿真提取二维流场特征量时域信息，实验的方法有高速摄影及piv技术获得流场的时域信息，数值仿真可以获得非定常运动中整个检测面的流场时域信息，通过实验或数值仿真结合一维流场分析获得的特征频率可以获得二维流场特征量的频域分布图，通过时频域转换技术得到水力机械内部流场对应流场特征量的二维频域分布图库。并在此分布图库中提取出该非定常流动结构特征频率所对应的流场特征量的二维分布图，该图可显示此频率下流场特征量在各过流部件的分布情况，并可直观的观察到该非定常流动结构的分布位置、形状及作用强度。
图3a为对某水力机械通过试验方法得到的流道内流动图，采用气泡示踪法观察流道内的流场，并可看到在区域1内流动非常复杂。图3b是相同条件下该水力机械数值数值模拟方法得到的仿真图，对应流道内的流线图，从图可以看出，图3b中区域2中流线分布比较紊乱，这与图3a区域1的复杂流动区的位置及流态都吻合。
由非定常流动一维流场特征量诊断模型分析得到该实例下对应的一系列特征频率ften，通过二维流场特征量频域再现技术，提取这些特征频率下的速度在水力机械内部的二维分布，通过对比分析这些速度二维分布图表明，只有特征频率fte对应二维速度分布(如图4所示)的高幅值区域与图3a、3b中的区域1、2吻合。因此可以判断该水力机械此区域的复杂流动是一个非定常流动结构，其发生位置、形状及强度都可在图4中直观的观察出来，同时，该流动结构(特征频率为fte)的具体流动特征(如传播特征、是否为稳定作用过程等)可在一维流场特征量诊断模型的结果库中提取。
因此，通过该工程实例，本专利所述一种水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法对水力机械内部非定常流动结构的诊断和分析是切实可行的，且具有一定的工程实际意义。
目前对于水力机械内部流场的特征量频域分析方法有很多种，根据其研究对象和目的不同采用的方法不同，但并没有一个系统的通过流场特征量诊断流场不稳定流动结构的方法。若对流场可视化研究获得的二维空间流场特征量进行频域分析，不仅可以获得非定常流动的具体流动特征(如判断其动态特征是静止、轴向还是周向传播等)，还可以直观展现各种不同特征频率的非定常流动在各过流部件中分布及作用情况。因此，本发明结合一维流场特征量频域分析的优势和流场可视化方法的特点，建立一种水力机械内部流场特征量可视化频域分析方法。专利中提出的方法可有效的诊断水力机械内部非定常流动结构的特征，并通过二维再现，直观的显示该不稳定流动结构在过流部件内的分布位置及作用强度，可用于指导水力机械性能优化设计及其内部流动机理研究，具有一定的工程和学术价值。