空泡迁移运动预测方法、装置、电子设备及存储介质

1.本发明涉及空泡动力学及流体流动控制技术领域，尤其涉及一种空泡迁移运动预测方法、装置、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.空化是特定发生在液体中的一种流体力学的现象，当液体内部压强降低至对应温度下的液体饱和蒸汽压强及以下时，该处便会产生空泡，空泡因其内外压力差将经历膨胀收缩的脉动及溃灭过程，同时伴随着一系列的物理及化学反应。空化现象普遍存在于水力机械领域中，空化引发的空蚀会使金属材料的表面发生变形和扭曲等结构性破坏，比如水力机械的部分结构表面会遭到明显的侵蚀，从而导致水力机械运转性能下降、使用寿命减少。空泡的形态变化是空化发展过程中重要的表现形式，其对水力机械的外特性有着十分重要的影响。研究空泡的形态变化，了解其变化规律，从而探求减蚀措施，对于提高水力机械性能和质量具有重要的科学意义和工程价值。
3.由于流体介质总是要受到各种自然边界或人为边界的限制，空泡及其周围流场的运动需要发生改变来满足对应的边界条件。因此，当空泡在边界附近运动时，边界产生的压力将传给空泡并影响空泡的运动，因此边界条件是影响空泡运动的重要因素，边界条件包括自由表面条件和刚性表面条件。传统的空泡迁移运动预测方法只能预测一种表面条件下的空泡迁移运动情况，例如，只能预测自由表面条件下空泡迁移运动情况，而有些空泡可能会涉及到在不同表面条件下发生迁移，因此，传统的空泡迁移运动预测方法不再能满足人们的需求。


技术实现要素：

4.本发明提供一种空泡迁移运动预测方法、装置、电子设备及存储介质，用以解决传统的空泡迁移运动预测方法只能预测自由表面或刚性表面条件下空泡迁移运动情况，但不能满足多个表面条件下的预测需求的缺陷。
5.本发明提供一种空泡迁移运动预测方法，包括：
6.获取边界条件参数和空泡参数；
7.根据所述边界条件参数和空泡参数获取所述边界与空泡相关性参数；
8.根据所述边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，所述空泡迁移运动信息包括空泡迁移方向和空泡迁移距离中的至少一种。
9.根据本发明提供的一种空泡迁移运动预测方法，所述边界条件参数和空泡参数包括：
10.空泡最大半径、空腔金属开口半径及空泡质心到边界的垂直距离中的至少一种。
11.根据本发明提供的一种空泡迁移运动预测方法，所述根据所述边界条件参数和空泡参数获取所述边界与空泡相关性参数，包括：
12.计算空泡最大半径与空腔金属开口半径的比值；
13.根据所述空泡最大半径与空腔金属开口半径的比值计算边界与空泡相关性参数。
14.根据本发明提供的一种空泡迁移运动预测方法，所述根据所述边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，包括：
15.将所述边界与空泡相关性参数输入基于kelvin冲量的预测模型中，根据所述基于kelvin冲量的预测模型输出的空泡kelvin冲量的正负预测出空泡迁移方向。
16.根据本发明提供的一种空泡迁移运动预测方法，所述基于kelvin冲量的预测模型为：
[0017][0018]
其中，ρ为流体密度，β是边界与空泡相关性参数，h为空泡质心到边界的垂直距离，tc是空泡在无限域中振荡一次的时间周期，为源强，r
max
为空泡最大半径，i的方向设定为向上为正。
[0019]
根据本发明提供的一种空泡迁移运动预测方法，所述空泡在无限域中振荡一次的时间周期获取方法，包括：
[0020][0021]
其中，r
max
为空泡最大半径，ρ
∞
为水的密度，p
∞
是标准大气压，pv为在20摄氏度时空泡内的蒸汽压力。
[0022]
根据本发明提供的一种空泡迁移运动预测方法，所述根据所述边界条件参数和空泡参数预测空泡迁移运动信息，包括：
[0023]
计算空泡最大半径与空泡质心距边界的距离的比值γ；
[0024]
根据所述空泡最大半径与空泡质心距边界的距离的比值γ以及边界与空泡相关性参数β计算无量纲的kelvin冲量系数ζ＝0.195(β-1)γ-2
；
[0025]
根据所述无量纲的kelvin冲量系数和无量纲kelvin冲量参数的标度律获取空泡的无量纲迁移距离；
[0026]
根据所述空泡最大半径和所述空泡的无量纲迁移距离获取所述空泡第一次溃灭时所移动的距离。
[0027]
本发明还提供一种空泡迁移运动预测装置，包括：
[0028]
第一获取模块，用于获取边界条件参数和空泡参数；
[0029]
第二获取模块，用于根据所述边界条件参数和空泡参数获取所述边界与空泡相关性参数；
[0030]
预测模块，用于根据所述边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，所述空泡迁移运动信息包括空泡迁移方向和空泡迁移距离中的至少一种。
[0031]
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述的空泡迁移运动预测方法。
[0032]
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的空泡迁移运动预测方法。
[0033]
本发明提供的空泡迁移运动预测方法、装置、电子设备及存储介质，通过获取边界条件参数和空泡参数；根据边界条件参数和空泡参数获取边界与空泡相关性参数；根据边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，空泡迁移运动信息包括空泡迁移方向和空泡迁移距离中的至少一种，由于边界与空泡相关性参数在不同边界条件下的值不同，通过获取边界与空泡相关性参数并根据获取边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，可以适用于不同边界条件下空泡迁移运动预测，有助于减免水力机械空蚀破坏，提高水力机械性能和效率。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]
图1是本发明提供的空泡迁移运动预测方法的流程示意图之一；
[0036]
图2是本发明提供的边界条件以及边界与空泡的位置示意图；
[0037]
图3是本发明提供的空泡迁移运动预测方法的流程示意图之二；
[0038]
图4是本发明提供的空泡迁移方向预测结果示意图；
[0039]
图5是本发明提供的空泡迁移运动预测方法的流程示意图之三；
[0040]
图6是本发明提供的空泡迁移距离预测结果示意图；
[0041]
图7是本发明提供的空泡迁移运动预测装置的结构示意图；
[0042]
图8是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
图1为本发明实施例提供的空泡迁移运动预测方法的流程图，如图1所示，本发明实施例提供的空泡迁移运动预测方法包括：
[0045]
步骤101、获取边界条件参数和空泡参数；
[0046]
在本发明实施例中，如图2所示，边界条件参数和空泡参数包括空泡最大半径、空腔金属开口半径及空泡质心到边界的垂直距离等，空泡在空腔金属圆形开口处的正上方，金属空腔内含有空气，r
max
表示为空泡的最大半径；圆形开口的半径为d；空泡质心到边界的距离为h。
[0047]
在本发明实施例中，空腔金属开口半径可利用精密仪器准确测量。
[0048]
步骤102、根据边界条件参数和空泡参数获取边界与空泡相关性参数；
[0049]
步骤103、根据边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，空泡迁移运动信息包括空泡迁移方向和空泡迁移距离中的至少一种。
[0050]
传统的空泡迁移运动预测方法只能预测一种表面条件下的空泡迁移运动情况，例
如，只能预测自由表面条件下空泡迁移运动情况，而有些空泡可能会涉及到在不同表面条件下发生迁移，因此，传统的空泡迁移运动预测方法不再能满足人们的需求。
[0051]
本发明实施例提供的空泡迁移运动预测方法通过获取边界条件参数和空泡参数；根据边界条件参数和空泡参数获取边界与空泡相关性参数；根据边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，空泡迁移运动信息包括空泡迁移方向和空泡迁移距离中的至少一种，由于边界与空泡相关性参数在不同边界条件下的值不同，通过获取边界与空泡相关性参数并根据获取边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，可以适用于不同边界条件下空泡迁移运动预测，有助于减免水力机械空蚀破坏，提高水力机械性能和效率。
[0052]
基于上述任一实施例，如图3所示，根据边界条件参数和空泡参数获取边界与空泡相关性参数，包括：
[0053]
步骤301、计算空泡最大半径与空腔金属开口半径的比值α；
[0054]
步骤302、根据空泡最大半径与空腔金属开口半径的比值计算边界与空泡相关性参数β＝α2。
[0055]
在本发明实施例中，由于边界与空泡相关性参数在不同边界条件下的值不同，通过上述步骤可以直接计算边界与空泡相关性参数，使得空泡迁移运动预测不受边界条件影响，自由表面条件下β取值0～1之间，在刚性表面条件下，β取值1～2之间，因此，本发明在自由表面和刚性表面下都能进行准确预测。
[0056]
基于上述任一实施例，根据边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，包括：
[0057]
将边界与空泡相关性参数输入基于kelvin(开尔文)冲量的预测模型中，根据基于kelvin冲量的预测模型输出的空泡kelvin冲量的正负预测出空泡迁移方向。
[0058]
在本发明实施例中，基于kelvin冲量的预测模型为：
[0059][0060]
其中，ρ为流体密度，β是边界与空泡相关性参数，h为空泡质心到边界的垂直距离，tc是空泡在无限域中振荡一次的时间周期，为源强，r
max
为空泡最大半径，i的方向设定为向上为正。
[0061]
在本发明实施例中，空泡在无限域中振荡一次的时间周期获取方法，包括：
[0062][0063]
其中，r
max
为空泡最大半径，ρ
∞
为水的密度，p
∞
是标准大气压，pv为在20摄氏度时空泡内的蒸汽压力。
[0064]
由基于kelvin冲量的预测模型可以看出，空泡冲量的正负取决于β的大小，当β》1时i》0，空泡将向上侧迁移运动，当β＝1时i＝0，空泡的动量守恒所以空泡将向两侧迁移运动，当β《1时i《0，空泡将向下侧迁移运动。
[0065]
图4为实验得到的空泡迁移方向与表征空泡与边界的参数β的关系图，可见，实验结果与本发明的预测结果相同。
[0066]
在本发明实施例提供一种在带有圆形开口的空腔金属壁面下空泡迁移方向，根据空泡的最大半径以及空泡质心距边界的距离，圆形空腔的相对尺寸来确定基于kelvin冲量
的预测模型的输入参数，从而能够根据基于kelvin冲量的预测模型输出的空泡kelvin冲量的正负判断空泡的迁移方向，实现空泡迁移方向准确预测，为减免水力机械空蚀破坏提供依据。
[0067]
基于上述任一实施例，如图5所示，根据边界条件参数和空泡参数预测空泡迁移运动信息，包括：
[0068]
步骤501、计算空泡最大半径与空泡质心距边界的距离的比值γ；
[0069]
步骤502、根据空泡最大半径与空泡质心距边界的距离的比值以及边界与空泡相关性参数β计算无量纲的kelvin冲量系数；
[0070]
在本发明实施例中无量纲的kelvin冲量系数ζ＝0.195(β-1)γ-2
。
[0071]
步骤503、根据无量纲的kelvin冲量系数和无量纲kelvin冲量参数的标度律获取空泡的无量纲迁移距离；
[0072]
在本发明实施例中，无量纲kelvin冲量参数的标度律δ＝2.5ζ
0.6
。
[0073]
步骤504、根据空泡最大半径和空泡的无量纲迁移距离获取空泡第一次溃灭时所移动的距离。
[0074]
在本发明实施例中，由于空泡的无量纲迁移距离δ＝δs/r
max
，其中δs为空泡第一次溃灭时所移动的距离，在已知空泡的无量纲迁移距离为δ以及空泡最大半径r
max
时可以计算出δs。
[0075]
如图6所示，横轴代表空泡的无量纲的kelvin冲量系数ζ，纵轴代表空泡的无量纲迁移距离δ＝δs/r
max
，分别输入五组不同的边界条件，根据坐标系中的曲线图可以得知，若已知边界的条件，就可以得到空泡的迁移距离。
[0076]
在本发明实施例中，kelvin冲量是空泡动力学中一个重要的物理量，是基于势流理论推导出用于表征空泡运动的量，其目的是为了计算边界附近的空泡溃灭时产生压力的大小，从而可以预测空泡溃灭时运动的方向。同时，开尔文冲量在实验与数值模拟方面也得到了很好的验证，与理论模型输出的预测结果基本吻合，从而证明本发明提供的空泡迁移运动预测方法输出的预测结果更加准确，为后续制定水力机械防腐蚀措施提供准备依据，进一步地，本发明实施例不仅可以预测出空泡迁移方向，还能预测出空泡迁移距离，为后续制定水力机械减免空蚀措施提供更多依据。
[0077]
下面对本发明提供的空泡迁移运动预测装置进行描述，下文描述的空泡迁移运动预测装置与上文描述的空泡迁移运动预测方法可相互对应参照。
[0078]
图7为本发明实施例提供的空泡迁移运动预测装置的示意图，如图7所示，本发明实施例提供的空泡迁移运动预测装置包括：
[0079]
第一获取模块701，用于获取边界条件参数和空泡参数；
[0080]
第二获取模块702，用于根据边界条件参数和空泡参数获取所述边界与空泡相关性参数；
[0081]
预测模块703，用于根据边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，空泡迁移运动信息包括空泡迁移方向和空泡迁移距离中的至少一种。
[0082]
本发明实施例提供的空泡迁移运动预测装置通过获取边界条件参数和空泡参数；根据边界条件参数和空泡参数获取边界与空泡相关性参数；根据边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，空泡迁移运动信息包括空泡迁移方向和空泡迁移距离中的至少一
种，由于边界与空泡相关性参数在不同边界条件下的值不同，通过获取边界与空泡相关性参数并根据获取边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，可以适用于不同边界条件下空泡迁移运动预测，有助于减免水力机械空蚀破坏，提高水力机械性能和效率。
[0083]
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(communications interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行空泡迁移运动预测方法，该方法包括：获取边界条件参数和空泡参数；根据边界条件参数和空泡参数获取边界与空泡相关性参数；根据边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，空泡迁移运动信息包括空泡迁移方向和空泡迁移距离中的至少一种。
[0084]
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0085]
另一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的空泡迁移运动预测方法，该方法包括：获取边界条件参数和空泡参数；根据边界条件参数和空泡参数获取边界与空泡相关性参数；根据边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，空泡迁移运动信息包括空泡迁移方向和空泡迁移距离中的至少一种。
[0086]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0087]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0088]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种空泡迁移运动预测方法，其特征在于，包括：获取边界条件参数和空泡参数；根据所述边界条件参数和空泡参数获取所述边界与空泡相关性参数；根据所述边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，所述空泡迁移运动信息包括空泡迁移方向和空泡迁移距离中的至少一种。2.根据权利要求1所述的空泡迁移运动预测方法，其特征在于，所述边界条件参数和空泡参数包括：空泡最大半径、空腔金属开口半径及空泡质心到边界的垂直距离中的至少一种。3.根据权利要求2所述的空泡迁移运动预测方法，其特征在于，所述根据所述边界条件参数和空泡参数获取所述边界与空泡相关性参数，包括：计算空泡最大半径与空腔金属开口半径的比值；根据所述空泡最大半径与空腔金属开口半径的比值计算边界与空泡相关性参数。4.根据权利要求3所述的空泡迁移运动预测方法，其特征在于，所述根据所述边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，包括：将所述边界与空泡相关性参数输入基于kelvin冲量的预测模型中，根据所述基于kelvin冲量的预测模型输出的空泡kelvin冲量的正负预测出空泡迁移方向。5.根据权利要求4所述的空泡迁移运动预测方法，其特征在于，所述基于kelvin冲量的预测模型为：其中，ρ为流体密度，β是边界与空泡相关性参数，h为空泡质心到边界的垂直距离，t
c
是空泡在无限域中振荡一次的时间周期，为源强，r
max
为空泡最大半径，i的方向设定为向上为正。6.根据权利要求2所述的空泡迁移运动预测方法，其特征在于，所述空泡在无限域中振荡一次的时间周期获取方法，包括：其中，r
max
为空泡最大半径，ρ
∞
为水的密度，p
∞
是标准大气压，p
v
为在20摄氏度时空泡内的蒸汽压力。7.根据权利要求2所述的空泡迁移运动预测方法，其特征在于，所述根据所述边界条件参数和空泡参数预测空泡迁移运动信息，包括：计算空泡最大半径与空泡质心距边界的距离的比值γ；根据所述空泡最大半径与空泡质心距边界的距离的比值γ以及边界与空泡相关性参数β计算无量纲的kelvin冲量系数ζ＝0.195(β-1)γ-2
；根据所述无量纲的kelvin冲量系数和无量纲kelvin冲量参数的标度律获取空泡的无量纲迁移距离；根据所述空泡最大半径和所述空泡的无量纲迁移距离获取所述空泡第一次溃灭时所
移动的距离。8.一种空泡迁移运动预测装置，其特征在于，包括：第一获取模块，用于获取边界条件参数和空泡参数；第二获取模块，用于根据所述边界条件参数和空泡参数获取所述边界与空泡相关性参数；预测模块，用于根据所述边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，所述空泡迁移运动信息包括空泡迁移方向和空泡迁移距离中的至少一种。9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述的空泡迁移运动预测方法。10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的空泡迁移运动预测方法。

技术总结
本发明提供一种空泡迁移运动预测方法、装置、电子设备及存储介质，通过获取边界条件参数和空泡参数；根据边界条件参数和空泡参数获取边界与空泡相关性参数；根据边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，空泡迁移运动信息包括空泡迁移方向和空泡迁移距离中的至少一种，由于边界与空泡相关性参数在不同边界条件下的值不同，通过获取边界与空泡相关性参数并根据获取边界与空泡相关性参数预测空泡迁移运动信息，可以适用于不同边界条件下空泡迁移运动预测，有助于减免水力机械空蚀破坏，提高水力机械性能和效率。高水力机械性能和效率。高水力机械性能和效率。


技术研发人员：姚志峰 孙钰荣 温海岗 杨晨汐 钟强 王福军
受保护的技术使用者：中国农业大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/9/7