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原文传递汽车电子水泵热力学效应下的空化特征及智能监测研究

论文题名：	汽车电子水泵热力学效应下的空化特征及智能监测研究
关键词：	汽车电子水泵;空化特征;智能监测;热力学效应
摘要：	本文在国家自然科学基金项目“离心泵空化诱导噪声特性及其激励机制研究”（编号：51976079）和中国博士后科学基金面上资助项目“高效低噪汽车电子水泵智能优化设计研究”（编号：2019M6617）的资助下完成。　　随着能源革命和新材料、新一代信息技术的不断突破，汽车产品加快向新能源、轻量化、智能和网联的方向发展。汽车电子水泵是伴随汽车产业技术发展和市场需求催生的高技术产品，属于微型高速离心泵，具有转速变化范围大、几何结构复杂、运行环境温度高等特点，运行时较易发生空化，进而造成性能下降，引起剧烈的振动及噪声，严重时甚至会造成过流部件损伤，影响交通安全。空化是一种涉及复杂相变的多相流动现象，空化的多尺度时空溃变一直是水力机械关注的热点问题。本文拟采用数值模拟及试验研究的方法对汽车电子水泵在考虑热力学效应影响下的空化特征进行研究，进而基于支持向量机对其运行状态进行智能监测，对提高整车的经济性和可靠性具有重要的意义。本文的主要研究工作和创新点如下：　　1．对水力机械空化数值模拟和状态监测方法进行了深入分析，通过对比认为：热力学效应对汽车电子水泵空化的发生及发展作用明显，数值模拟时需考虑相应的模型修改；振动法能够很好反映泵的空化状态，采用振动信号对基于支持向量机的智能监测具有简便、精确的优点，根据实际需求使用振动法对空化信号进行采集。　　2．针对汽车电子水泵在不同温度工质下的空化问题，修正了在考虑热力学效应影响下的空化模型，开展了三种温度下的空化非定常数值模拟，并进行了性能试验验证。研究结果表明：在全流量下外特性模拟值和试验值的变化趋势基本一致，计算精度满足后续空化需求；随着温度的升高，汽车电子水泵叶轮内部低压区面积增加、空化时的空泡数量增多、临界空化点变大，空化程度更加严重；在未发生空化到发生空化的过程中，叶轮流道内压力脉动幅值最大值逐渐增大，空泡的产生及溃灭引起内部流场压力脉动变化，进而引起泵体振动，可采集振动信号反映泵的运行状态。　　3．搭建了考虑热力学效应影响的汽车电子水泵空化监测试验台，完成了汽车电子水泵三种温度下的空化性能和振动测试。研究结果表明：无量纲化的外特性曲线基本符合相似定理；温度对于空化有明显的促进作用，温度越高，空化数就越大，在相同条件下就更易发生空化；振动频域的主频为轴频及其倍频；随着空化的发展，主频幅值逐渐增大。　　4．针对汽车电子水泵在考虑热力学效应影响下不同工况时的空化特征问题，采用了时域、频域以及时频域等方法对振动信号提取特征值，形成了空化智能监测的数据库。研究结果表明：由于时域信号的幅值不同，选取时域信号的均值、标准差、峰值因子、峭度因子以及偏度因子为特征值；频域信号特征提取根据功率谱的幅值及离散程度不同，选取功率谱的重心频率、均方频率以及频率方差为特征值；时频域特征提取选取经验模态分解法分解出的前六层能量占总能量的比值为特征值。　　5．采用支持向量机对空化状态进行智能监测。通过引入惩罚因子C和核函数参数g，选择最优的参数组合(C，g)来提高支持向量机的识别准确率。研究结果表明：在进行空化发生的二分类时，时域信号单个特征值的识别率最高、其次为时频域信号、最后为频域信号。在进行空化状态的多分类识别时，将时域信号在四个监测点、时频域信号在进水管X方向和进水管Y方向监测点的特征值进行组合，组合后的特征值对不同温度下空化状态的多分类识别率均能达到了94%以上，证明了支持向量机对汽车电子水泵空化状态的智能监测具有较高的准确性。
作者：	申纯浩
专业：	动力工程
导师：	司乔瑞;王鹏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021