CN110132535B - 复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析方法及系统，本发明将实验参数与运动参数同步测量，获得相互对应的原始数据序列，对采集获得的大量实验数据进行分析，抽取相同运动状态所对应的时段微元内的实验参数，将多个微元段内实验参数进行叠加并平均，获得该运动状态下参数瞬时数据，从而获得完整运动条件瞬时实验规律，实现对摇摆和升潜等典型海况条件下汽液两相流场时空分布特性的实验研究，拓展汽液两相流学科内涵，对舰船反应堆热工水力特性的实验研究提供技术支撑。

Description

复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析方法及系统

技术领域

本发明涉及实验研究数据处理技术领域，具体涉及复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析方法及系统。

背景技术

浮动式核电站及船舶舰艇经常处于复杂海况环境下，例如对航行于海洋环状中的舰船而言，风、浪、流、涌等海洋条件作用下通常会造成船体出现起伏或摇摆的运动状态，导致核反应堆装置发生持续的方位变化，同时引入附加外力的作用，可能对冷却剂的驱动压力、流动阻力和传热性能等热工水力特性产生一定程度的影响，造成堆芯燃料温度分布及冷却剂流量和温度分布的变化，影响堆内功率的分布和输出，使得整个反应堆系统偏离正常运行工况，因此，复杂海况环境运动工况下流动传热实验是舰船反应堆热工水力学科的研究重点，实验获得的温度、流量、压差、传热系数及空泡份额等数据的处理分析是开展实验研究的基础条件。

国内外已公开的文献资料表明，瞬变运动条件下汽液两相流研究主要集中在流动和传热的宏观特性层面，实验测量获得的数据大多采用整体平均方法进行处理，获得全时域时均参数，然而这种处理方式存在一些缺点：(1)全时域平均方法会掩盖瞬变运动条件下实验参数的瞬时信息。这是由于汽液两相流动具有显著的时空尺度上局部参数分布的不均匀性，造成系统内部不同区域各相的份额、流动参数等均存在差异，全时域平均法显然无法获得瞬态参数；(2)无法准确获得运动条件对参数的影响规律。全时域平均法展平了运动条件下实验参数的波动特性，无法体现实验参数的波动特性。由于实验数据处理方法的限制，因此已有的对汽液两相流动时空瞬态分布特性的研究还处于比较笼统的定性水平，特别是对于摇摆及升潜等周期力场作用下汽液两相流局部相界面参数及相分布特性的影响机理缺乏较为全面的研究。另一方面，瞬时实验数据处理方法的困难会限制实验数据的精确分析。因此，对变速运动条件下汽液两相流场时空分布特性实验装置及实验方法开展研究是很有必要的。

以两相流动实验研究为例，目前基于光学探针方法测量汽液两相流局部界面参数较为普遍，光学探针方法测量原理是根据光纤端面通过液相或汽相介质时由于两相介质的反射率不同，光通过光纤端面反射回来的光强不同来判断探针是处在汽相介质还是在液相介质当中。随着汽液两相流体交替流过探针端部便出现连续高低变化的电信号。通过将信号进行转换并输入计算机进行采集和数字信号处理，即可得到探针端部所在位置的局部参数。然而，采用光学探针对瞬变外力场作用下汽液两相流动瞬时参数如何获取的方法研究还较少见到。

发明内容

为了解决现有技术存在的局限性，本发明提供了复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析方法及系统。本发明可对采集获得的大量实验数据进行分区分段，通过平均法获得了运动条件下瞬态参数变化规律。可以明显提高运动条件下局部瞬时实验参数的分析精度。

本发明通过下述技术方案实现：

复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，同步测量运动参数与实验参数，获得运动参数与实验参数一一对应的时间序列；

步骤二，根据运动参数获取相同运动状态所对应的时间微元段内的实验参数，并对多个时间微元段内实验参数进行处理，获得该运动状态下实验参数瞬时数据；

步骤三，按照步骤二所述过程对运动参数中所有运动状态下的实验参数数据进行处理，直到获得完整运动条件下实验参数瞬时规律。

优选的，所述步骤一中，所述实验参数包括温度、流量、压差、传热系数或空泡份额。

优选的，所述步骤二具体包括：

步骤2.1，根据运动参数获取相同运动状态下对应的时间微元段Δti，其中i＝1,2,3，…，N；

步骤2.2，对每个时间微元段Δti内实验参数数据块进行叠加处理；

步骤2.3，将N个时间微元段Δti内经过叠加处理之后的实验参数进行平均处理，以获得该运动状态下的实验参数瞬时数据。

优选的，为了获得更加稳定可靠的实验参数瞬时数据，所述步骤2.3中在平均处理的同时还需调节时间微元段数量N的大小，当实验参数数据不随N的变化而改变时，即获得稳定的实验参数瞬时数据。

优选的，所述步骤三具体包括：

步骤3.1，按照步骤二所述过程对运动参数中所有运动状态下的实验参数数据进行处理，得到所有运动状态下的实验参数瞬时数据；

步骤3.2，由所有运动状态下的实验参数瞬时数据，获得完整运动状态下实验参数瞬时变化规律。

另一方面，本发明还提出了复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析系统，该系统包括：

数据获取模块，用于同步测量运动参数与实验参数，获得运动参数与实验参数一一对应的时间序列；

数据处理模块，接收数据获取模块的时间序列，根据运动参数获取相同运动状态所对应的时间微元段内的实验参数，并对多个时间微元段内实验参数进行处理，获得该运动状态下实验参数瞬时数据；并将该瞬时数据传输给数据输出模块；

数据输出模块，接收数据处理模块输出的运动参数中所有运动状态下的实验参数瞬时数据，获得完整运动条件下实验参数瞬时规律。

优选的，所述实验参数包括温度、流量、压差、传热系数或空泡份额。

优选的，所述数据处理模块具体包括：

时间段划分单元，根据运动参数获取相同运动状态下对应的时间微元段Δti，其中i＝1,2,3，…，N；

叠加处理单元，对每个时间微元段Δti内实验参数数据块进行叠加处理；

平均处理单元，将N个时间微元段Δti内经过叠加处理之后的实验参数进行平均处理，以获得该运动状态下的实验参数瞬时数据。

优选的，为了获得更加稳定可靠的实验参数瞬时数据，所述平均处理单元在平均处理的同时还需调节时间微元段数量N的大小，当实验参数数据不随N的变化而改变时，即获得稳定的实验参数瞬时数据。

优选的，所述数据输出模块包括：

数据接收单元，接收数据处理模块输出的运动参数中所有运动状态下的实验参数瞬时数据，得到所有运动状态下的实验参数瞬时数据；

数据分析单元，由所有运动状态下的实验参数瞬时数据，获得完整运动状态下实验参数瞬时变化规律。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明实现对复杂海况条件下流场、相分布场瞬时分布特性实验参数的处理分析，提高了数据处理的精度；本发明将将实验参数与运动参数同步测量，获得相互对应的原始数据序列，抽取相同运动状态所对应的时段微元内的实验参数，将多个微元段内实验参数进行叠加并平均，获得该运动状态下参数瞬时数据；本发明可获得瞬变运动条件下流量、压降及空泡份额等实验参数随时间的变化关系，为进一步实验变化规律的准确分析提供可靠保证。

2、本发明提出复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析方法。实现对摇摆和升潜等运动条件下单相及两相流场局部瞬时参数分布特性的实验研究，获得不同局部位置、不同瞬时时刻下实验参数，探索瞬变外力场作用对流场、相分布场时空分布的影响区域，拓展汽液两相流学科内涵，对舰船反应堆热工水力特性的实验研究提供技术支撑。

3、能源动力、核能、制冷、石油化工及航空航天等工业领域内存在大量变速运动工况下瞬时实验参数测量问题，本发明实现对瞬变运动条件下流场局部瞬时参数分布特性的实验研究，获得不同局部位置、不同瞬时时刻下实验参数。本发明能够提供的实验数据分析方法，适用于高校及研究院所等单位的科研、设计工作，具有较好的市场前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明的处理分析原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，同步测量运动参数与实验参数，获得运动参数与实验参数一一对应的时间序列；

具体的，将运动参数与实验参数进行同步测量，测量一段时间T后，获得运动参数与实验参数一一对应的原始时间序列。其中，所述实验参数包括温度、流量、压差、传热系数或空泡份额等。

步骤二，根据运动参数获取相同运动状态所对应的时间微元段内的实验参数，并对多个时间微元段内实验参数进行处理，获得该运动状态下实验参数瞬时数据；

具体包括：

步骤2.1，根据运动参数获取相同运动状态下对应的时间微元段Δti，其中i＝1,2,3，…，N；本实施例中，时间微元段的取值范围为0.8-1.5s；N的取值范围为18-25；

步骤2.2，对每个时间微元段Δti内实验参数数据块进行叠加处理；

步骤2.3，将N个时间微元段Δti内经过叠加处理之后的实验参数进行平均处理，以获得该运动状态下的实验参数瞬时数据。

为了获得更加稳定可靠的实验参数瞬时数据，所述步骤2.3中在平均处理的同时还需调节时间微元段数量N的大小，当实验参数数据不随N的变化而改变时，即获得稳定的实验参数瞬时数据。

步骤三，按照步骤二所述过程对运动参数中所有运动状态下的实验参数数据进行处理，直到获得完整运动条件下实验参数瞬时规律。

具体包括：

步骤3.1，按照步骤二所述过程对运动参数中所有运动状态下的实验参数数据进行处理，得到所有运动状态下的实验参数瞬时数据；

步骤3.2，由所有运动状态下的实验参数瞬时数据，获得完整运动状态下实验参数瞬时变化规律。

实施例2

基于上述实施例1，本实施例提出了复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析系统，该系统包括：

数据获取模块，用于同步测量运动参数与实验参数，获得运动参数与实验参数一一对应的时间序列；

具体的，所述数据获取模块将运动参数与实验参数进行同步测量，测量一段时间T后，获得运动参数与实验参数一一对应的原始时间序列。其中，所述实验参数包括温度、流量、压差、传热系数或空泡份额等。

数据处理模块，接收数据获取模块的时间序列，根据运动参数获取相同运动状态所对应的时间微元段内的实验参数，并对多个时间微元段内实验参数进行处理，获得该运动状态下实验参数瞬时数据；并将该瞬时数据传输给数据输出模块；

具体的，所述数据处理模块还包括时间段划分单元、叠加处理单元和平均处理单元；其中，

时间段划分单元，根据运动参数获取相同运动状态下对应的时间微元段Δti，其中i＝1,2,3，…，N；本实施例中，时间微元段的取值范围为0.8-1.5s；N的取值范围为18-25；

叠加处理单元，对每个时间微元段Δti内实验参数数据块进行叠加处理；

平均处理单元，将N个时间微元段Δti内经过叠加处理之后的实验参数进行平均处理，以获得该运动状态下的实验参数瞬时数据并进行数据输出。

另一优选实施例中，为了获得更加稳定可靠的实验参数瞬时数据，所述平均处理单元在平均处理的同时还需调节时间微元段数量N的大小，当实验参数数据不随N的变化而改变时，即获得稳定的实验参数瞬时数据。

数据输出模块，接收数据处理模块输出的运动参数中所有运动状态下的实验参数瞬时数据，获得完整运动条件下实验参数瞬时规律。

具体的，所述数据输出模块还包括数据接收单元和数据分析单元；其中，

数据接收单元，接收数据处理模块输出的运动参数中所有运动状态下的实验参数瞬时数据，得到所有运动状态下的实验参数瞬时数据；

数据分析单元，由所有运动状态下的实验参数瞬时数据，获得完整运动状态下实验参数瞬时变化规律。

实施例3

基于上述实施例，本实施例提出了一种复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

(1)t＝T₀时刻起，将运动参数与实验参数(例如温度、流量、压差、传热系数及空泡份额等)进行同步测量，获得运动参数与实验参数一一对应的时间序列，t＝T时刻，测量结束；

(2)对T₀-T时间段内的实验参数数据进行分析，根据运动参数获取在同一运动状态下对应的时间微元段，以此为基准划分时间微元段(Δti，i＝1,2,3，…，N)，在这些时间段内实验本体处于相同运动状态。本实施例中，时间微元段的取值范围为0.8-1.5s；N的取值范围为18-25。

(3)对每个时间段Δti内数据块进行叠加，获得该运动状态下两相实验参数序列；

(4)将N个时间段Δti的实验参数数据平均处理，同时调节N的数量，当实验数据不随N的变化而改变时，即获得该运动状态下稳定的实验参数瞬时数据。

(5)重复步骤(2)-(4)，直到全部运动状态下的实验参数数据处理完毕，获得全部运动状态下的实验参数瞬时数据，即可获得完整运动状态下实验参数瞬时变化规律。

实施例4

基于上述实施例所述的方法和系统，该实施例提出以摇摆工况为例，分析了瞬变运动工况下实验参数局部瞬时分布特性，如图2所示，其中，其中横轴为时间t，左侧竖轴为原始实验数据，右侧竖轴为瞬时运动角度θ。对摇摆条件下原始实验数据按照运动规律为基准，测量一段时间内实验数据，基于对运动规律分析，获得相同运动状态下时间微元段Δt1、Δt2、Δt3等内的实验数据，对N个时间微元段内实验数据叠加平均化处理后计算获得局瞬参数，当叠加平均后参数不随叠加数N变化而变化时，即获得了稳定的瞬时实验数据，具体过程如下：

(1)t＝T₀时刻起，将运动参数与实验参数(例如温度、流量、压差、传热系数及空泡份额等)进行同步测量，获得运动参数与实验参数一一对应的时间序列，t＝T时刻，测量结束；

(2)对T₀-T时间段内的实验参数数据进行分析，根据运动参数获取在同一运动状态下对应的时间微元段，以此为基准划分时间微元段(Δti，i＝1,2,3，…，N)，在这些时间段内实验本体处于相同运动状态。本实施例中，时间微元段为1s。

(3)对每个时间段Δti内数据块进行叠加，获得该运动状态下两相实验参数序列；

(4)将N个时间段Δti的实验参数数据平均处理，同时调节N的数量，当实验数据不随N的变化而改变时，即获得该运动状态下稳定的实验参数瞬时数据。本实施例中，N取值为20。

(5)重复步骤(2)-(4)，直到全部运动状态下的实验参数数据处理完毕，获得全部运动状态下的实验参数瞬时数据，即可获得该摇摆工况下完整运动状态的实验参数瞬时变化规律。

本发明实现对复杂海况条件下流场、相分布场瞬时分布特性实验参数的处理分析，提高了数据处理的精度；本发明将将实验参数与运动参数同步测量，获得相互对应的原始数据序列，抽取相同运动状态所对应的时段微元内的实验参数，将多个微元段内实验参数进行叠加并平均，获得该运动状态下参数瞬时数据；本发明可获得瞬变运动条件下流量、压降及空泡份额等实验参数随时间的变化关系，为进一步实验变化规律的准确分析提供可靠保证。

本发明能够实现对摇摆和升潜等运动条件下单相及两相流场局部瞬时参数分布特性的实验研究，获得不同局部位置、不同瞬时时刻下实验参数，探索瞬变外力场作用对流场、相分布场时空分布的影响区域，拓展汽液两相流学科内涵，对舰船反应堆热工水力特性的实验研究提供技术支撑。

采用本发明提出的方法对复杂海况环境运动条件下单相及汽液两相流场时空分布特性进行实验研究，可达到如下效果：首先将实验参数与运动参数同步测量，获得相互对应的原始数据序列，对采集获得的大量实验数据进行分析，抽取相同运动状态所对应的时段微元内的实验参数，将多个微元段内实验参数进行叠加并平均，获得该运动状态下参数瞬时数据，从而获得完整运动条件瞬时实验规律，可以明显提高运动条件下单相及两相场时空特性的分析精度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，同步测量运动参数与实验参数，获得运动参数与实验参数一一对应的时间序列；

步骤二，根据运动参数获取相同运动状态所对应的时间微元段内的实验参数，并对多个时间微元段内实验参数进行处理，获得该运动状态下实验参数瞬时数据；

所述步骤二具体包括：

步骤2.1，根据运动参数获取相同运动状态下对应的时间微元段Δti，其中i=1,2,3，…，N；

步骤2.2，对每个时间微元段Δti内实验参数数据块进行叠加处理；

步骤2.3，将N个时间微元段Δti内经过叠加处理之后的实验参数进行平均处理，以获得该运动状态下的实验参数瞬时数据；

步骤三，按照步骤二的处理过程对运动参数中所有运动状态下的实验参数数据进行处理，直到获得完整运动条件下实验参数瞬时规律；

所述步骤三具体包括：

步骤3.1，按照步骤二的处理过程对运动参数中所有运动状态下的实验参数数据进行处理，得到所有运动状态下的实验参数瞬时数据；

步骤3.2，由所有运动状态下的实验参数瞬时数据，获得完整运动状态下实验参数瞬时变化规律。

2.根据权利要求1所述的复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析方法，其特征在于，所述步骤一中，所述实验参数包括温度、流量、压差、传热系数或空泡份额。

3.根据权利要求1所述的复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析方法，其特征在于，所述步骤2.3中在平均处理的同时还需调节时间微元段数量N的大小，当实验参数数据不随N的变化而改变时，即获得稳定的实验参数瞬时数据。

4.复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析系统，其特征在于，该系统包括：

数据获取模块，用于同步测量运动参数与实验参数，获得运动参数与实验参数一一对应的时间序列；

数据处理模块，接收数据获取模块的时间序列，根据运动参数获取相同运动状态所对应的时间微元段内的实验参数，并对多个时间微元段内实验参数进行处理，获得该运动状态下实验参数瞬时数据；并将该瞬时数据传输给数据输出模块；

所述数据处理模块具体包括：

时间段划分单元，根据运动参数获取相同运动状态下对应的时间微元段Δti，其中i=1,2,3，…，N；

叠加处理单元，对每个时间微元段Δti内实验参数数据块进行叠加处理；

平均处理单元，将N个时间微元段Δti内经过叠加处理之后的实验参数进行平均处理，以获得该运动状态下的实验参数瞬时数据；

数据输出模块，接收数据处理模块输出的运动参数中所有运动状态下的实验参数瞬时数据，获得完整运动条件下实验参数瞬时规律；

所述数据输出模块包括：

数据接收单元，接收数据处理模块输出的运动参数中所有运动状态下的实验参数瞬时数据，得到所有运动状态下的实验参数瞬时数据；

数据分析单元，由所有运动状态下的实验参数瞬时数据，获得完整运动状态下实验参数瞬时变化规律。

5.根据权利要求4所述的复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析系统，其特征在于，所述实验参数包括温度、流量、压差、传热系数或空泡份额。

6.根据权利要求4所述的复杂海况环境下局部瞬时实验参数处理分析系统，其特征在于，所述平均处理单元在平均处理的同时还需调节时间微元段数量N的大小，当实验参数数据不随N的变化而改变时，即获得稳定的实验参数瞬时数据。

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