基于希尔伯特—黄变换的过闸水流脉动压力时频特性分析_张蕊.pdf

第4 1卷第5期2023年5月水 电 能 源 科 学W a t e r R e s o u r c e s a n d P o w e rV o l.4 1 N o.5M a y 2 0 2 3D O I:1 0.2 0 0 4 0/j.c n k i.1 0 0 0-7 7 0 9.2 0 2 3.2 0 2 2 1 0 7 5基于希尔伯特黄变换的过闸水流脉动压力时频特性分析张 蕊1,沈春颖1,马江霞1,2(1.昆明理工大学电力工程学院,云南 昆明6 5 0 5 0 0;2.华能澜沧江水电股份有限公司,云南 昆明 6 5 0 2 1 4)摘要:平面闸门通过启闭控制蓄水和泄水,在运作时容易受水流脉动压力作用而发生破坏。为研究闸门启闭运动与过闸水流的相互作用过程,首先对不同底缘形式下的闸门启闭过程中过闸水流进行三维数值模拟,再采用希尔伯特黄变换对过闸水流脉动压力信号进行时频特性分析,得到信号的时间频率幅值信息,对比分析发现在前倾4 5、后倾3 0 的组合式闸门底缘,在闸门底部受脉动压力作用较平缓,测点能量幅值的变化差值最小,水流流态较为稳定。该研究可为平面闸门过闸水流脉动压力分析提供参考。关键词:平面闸门;闸门底缘;脉动压力;希尔伯特黄变换;时频特性分析中图分类号:TV 1 3 1 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 7 0 9(2 0 2 3)0 5-0 1 7 4-0 4收稿日期:2 0 2 2-0 5-2 0,修回日期:2 0 2 2-0 7-2 2基金项目:国家自然科学基金项目(5 2 0 6 9 0 0 9);昆明理工大学引进人才科研启动基金项目(KK S Y 2 0 1 9 0 4 0 0 8)作者简介:张蕊(2 0 0 0-),女,硕士研究生,研究方向为水力学,E-m a i l:z h a n g r u i s y x 1 6 3.c o m 通讯作者:沈春颖(1 9 8 2-),女,博士、正高级实验师,研究方向为工程水力学,E-m a i l:s h e n g c h u n y i n g 5 2 01 6 3.c o m1 引言平面闸门启闭过程是一个动态过程,其闸门底部测点的脉动压力信号为非平稳非线性信号。在这个动态过程中,研究闸门过闸水流的水动力学特性尤为重要。研究表明,平面闸门流激振动的振源来自于过闸湍流的压力脉动,目前关于在闸门不同开度下的水流脉动压力的研究成果较多,但对于启闭过程中各时间尺度下脉动压力信号的时频分析相对较少。对此,本文采用一种非线性非平稳、由数据本身驱动的信息处理方式即希尔伯特黄变换(HHT)进行信号分解,在闸门运行过程、由数据本身驱动的闭动态过程中,能得到对应脉动压力信号中闸门的时间频率和幅值信息,在确保闸门安全运行和水流流态稳定中具有一定研究意义1,2。2 希尔伯特黄变换法原理希尔伯特黄变换的原理为首先通过经验模态分解(EMD)这一信息简单化分解方法,得到有限数量固有模态函数(I MF)。将信息划分为彼此不同且独立成份的叠加。EMD按照数据信息自身的时间尺度特征来实现信息分析,有着高度自适应功能。因为无需基函数,EMD几乎能够完成所有类型信息的简单化分解,特别是在对非线性、非稳定类型信息的解析上,有突出优点。然后通过对每个I MF进行希尔伯特变换,可以得到瞬时频率和 幅 值,继 而 得 到 脉 动 压 力 信 号 的 二 维H i l b e r t图。3 平面闸门开启过程脉动压力时频特性分析3.1 数值模拟计算方法及网格划分结合GMO刚 体移动法、L E S大涡模 拟 和VO F自由追踪法,对平面闸门开启过程中的过闸水流进行三维数值模拟。主要研究在不同平面闸门底缘型式下,过闸水流在平面闸门启闭数值模拟中的脉动压力时频特性。模型由闸前渐缩段水体、闸前有压水体、平面闸门、闸后无压水池和尾部闸门共五部分组成(图1),计算域内采用三维矩形网格,总网格数为2 8 0 0 0 5个单元。计算域内具体网格采用笛卡尔直角坐标系进行模拟计算,确定闸门处b区域网格精度为1/6 c m,闸门前a区域和闸门后c区域z方向网格精度为1/6 c m(图2)。在网格块精度组合确定后,对各区块网格进行边界条件设置,即闸前渐缩段水体的进水口Xm i n 为压力入流边界,出水口Xm a x第4 1卷第5期张 蕊等:基于希尔伯特黄变换的过闸水流脉动压力时频特性分析闸后无压段水池尾部闸门闸前渐缩段水体闸前有压段平面闸门图1 平面闸门三维计算域网格立体图F i g.1 3 D c o m p u t a t i o n a l d o m a i n m e s h s t e r e o g r a m o f p l a n e g a t et=35.0 s压力/Pa(a)速度场云图和闸门底缘拟合情况(b)测点 脉动压力序列线1t/s6 0004 9003 8002 7001 600500010203040流速/(cm.s)-1349.5262.1174.787.40.0图2 网格精度流场及脉动压力数据F i g.2 G r i d-a c c u r a t e f l o w f i e l d a n d f l u c t u a t i n g p r e s s u r e d a t a为对称边界,两边侧壁及上下边界均为壁面边界。闸前有压段的进出水口Xm i n、Xm a x 设置为对称边界,两侧及上下均设置为壁面边界。平面闸门处为一单独网格块,X方向前后均为对称边界,四周为壁面边界。闸后无压段水池进水口Xm i n为对称边界,出水口Xm a x为O u t f l o w出流边界,该边界对出水口的流场紊动能量进行一定的消散以避免出口扰动,将两侧Ym i n和Ym a x及下底面Zm i n设置为壁面边界,上顶面Zm a x则设定为压力边界,流体分数系数设置为0表示该边界为与空气的交界面,内部流体能够从该边界溢出。最终结合网格块的优化选择,得到研究所需网格参数设置,具体见图3。图3 最优网格块精度组合(单位:c m)F i g.3 O p t i m a l g r i d b l o c k p r e c i s i o n c o m b i n a t i o n3.2 计算工况主要模拟平面闸门启闭过程,水流经由闸前有压、闸后无压的闸门,考虑闸门底缘形态和闸门最大开度,对应计算时间为1 5 0 s,其他相关参数统一设置见表1。闸门底缘主要布置三个测点,具体位置分别为闸门底缘前、中、后,且随着闸门启闭运动,三个测点固定在对应闸门底缘处跟随表1 相关参数T a b.1 R e l a t e d p a r a m e t e r s流体温度/重力加速度/(ms-2)闸门最大开度/c m持住时间/s闸前固定水头/c m入流压力水头/c m闸门启闭速度/(c ms-1)2 0-9 8 163 06 06 01/1 5运动。结构物的导入一共有4种闸门底缘组合形式和相应3个测点位置,见图4。(a)平底底缘型式(b)上倾角为下倾角为的平面闸门底缘型式45,30(c)上倾角为下倾角为的平面闸门底缘型式60,30(d)上倾角为下倾角为的平面闸门底缘型式60,45453060306045图4 闸门底缘三个测点布置示意图F i g.4 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e l a y o u t o f t h r e e m e a s u r i n g p o i n t s a t t h e b o t t o m e d g e o f t h e g a t e设计工况为4种底缘型式,闸门完整一次运行情况的三种状态,具体为开启过程、持住过程和关闭过程,共计1 2个工况。其编号按照底缘形式的a、b、c、d四种及闸门的三种状态命名,其中开启过程为1、持住过程为2、关闭过程为3,具体情况见表2。表2 工况编号T a b.2 C o n d i t i o n n u m b e r闸门状态底缘型式(a)底缘型式(b)底缘型式(c)底缘型式(d)开启9 0 sa-1b-1c-1d-1持住3 0 sa-2b-2c-2d-2关闭9 0 sa-3b-3c-3d-3 脉动压力数据为图4中闸门底缘的3个测点数据,测点1、2、3的位置分别为闸门底缘前、闸门底缘正下方和闸门底缘后,3个测点的压力数据采集时间间隔为 0.0 1 s。闸门在启闭过程中,最大开度h为6 c m,为横向对比开启和关闭状态下,1 2 个工况在4种底缘型式的脉动压力时频信号特征,将闸门运行时间对应的自启闭速度换算成相对开度n,并以相对开度n=e/h来表示每个工况的横坐标对比量。将压力数据标准化处理,定义压力标准值Kp=(p-?p)/,其中p为瞬时压力数据,为压力标准差,?p为平均压力,得到一个无量纲量Kp。3.3 计算结果分析3.3.1 I MF分量及剩余分量图r(t)分析由经验模态分解可得闸门开启、持住和关闭过程中,4种闸门底缘型式共1 2个工况压力标准值的时域信号图、时域信号经过EMD处理之后的前三个固有模态分量(I MF)的时域信号图和一个残余分量r(t)图,总共5个子图构成EMD的输出图。其中,闸门开启过程的分量见图5。在闸门开启过程中,由3个测点EMD输出图的时域信号图可得,测点1波动中心稳定下降且波动幅值随n变化有减小趋势,测点2的n在571图5 闸门开启时测点1、2、3分别对应不同底缘的时域信号F i g.5 T i m e d o m a i n s i g n a l d i a g r a m s o f m e a s u r i n g p o i n t s 1,2,a n d 3 c o r r e s p o n d i n g t o d i f f e r e n t b o t t o m e d g e s w h e n t h e g a t e i s o p e n e d00.2 5之间,Kp波动幅值在5-5有稳定下降趋势,n在0.31之间,Kp值逐渐衰减,测点3的Kp值稳定在0处,并在n为01的前后出现突变值。其中,三个测点以工况b-1数据波动稳定,且突变值最小。在闸门持住过程中,4个工况大致均先维持在一定数值,发生波动变化一段时间后,接着波动中心值增大,不断发生波动,直到稳定在一定数值附近出现小幅波动。而分别从三个测点的对比中发现,由于闸门持住时闸后水流状态为淹没出流状态,故可以观察3个测点值波动基本一致。在闸门关闭过程中,闸门关闭后闸后流态从淹没出流变为自由出流。在两种流态变化中3个测点的变化不同,测点1中的工况底缘b对应工况的Kp数据变化稳定,且流态衔接连续;测点2中工况b-3的波动中心在0附近,其闸门关闭瞬间Kp值突变较小;测点3中工况b-6的前期波动幅值较小且关闭瞬间Kp值突然变小。3.3.2 二维时频谱图分析在闸门开启过程中,由3个测点的HHT二维频谱图(图6)可知,测点1的Kp值在01 0 0之间,其中底缘a的Kp值均匀分布在闸门开启全过程,组合底缘b、c、d的Kp值则集中出现闸门开启瞬间;测点2的Kp值则较多出现在开启前期,工况b-1的Kp值小于测点1,且其Kp值在n-f坐标中沿着相对开度变化分布频率变小;测点3的Kp值比测点1、2大得多,并出现在n=0.1附近。可以得出闸门开启时,3个测点受到脉动压力的作用各不相同,在闸门底部产生了不均匀作用。(a)a-11工况下测点相对开度n(b)a-12工况下测点(c)a-13工况下测点相对开度n相对开度n(d)b-11工况下测点相对开度n(e)b-12工况下测点(f)b-13工况下测点相对开度n相对开度n(g)c-11工况下测点相对开度n(h)c-12工况下测点(i)c-13工况下测点相对开度n相对开度n(j)d-11工况下测点相对开度n(k)d-12工况下测点(l)d-13工况下测点相对开度n相对开度nf/Hzf/Hzf/Hz1 6721 000500118642