自振射流喷嘴振荡腔内信号检测方法

工程科学学报，第37卷，第9期：11911197,2015年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.9:1191-1197,September 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.09.012:http://journals.ustb.edu.cn 自振射流喷嘴振荡腔内信号检测方法 韩 健，柳 靖，汪晖，马飞区，蔡腾飞 北京科技大学机械工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yeke@ustb.cdu.cm 摘要为了获取喷嘴振荡腔内的压力脉动信号，提出一种新的检测方法.首先分析自振射流的特性，设计了产生自振射流 的喷嘴结构：结合计算流体动力学分析喷嘴腔内动压分布，确定测压点位置；运用流体网络理论分析自振射流的频率特性，在 此基础上确定用于实验的微型高响应压力传感器：考虑到腔内振荡信号的非平稳性，采用希尔伯特一黄变换(HT)信号分析 方法.实验结果表明，腔内振荡信号主要集中于40-60Hz、110-150Hz和200-310Hz三个频带，且组成频率成分所对应的 幅值差异明显：距离喷嘴出口较近处，自振信号振幅较大，频带窄. 关键词水射流：喷嘴：振荡腔；涡量；扰动：信号分析 分类号TP69 A new detection method of fluid pulsation inside the oscillation cavity of a self-resonating water jet nozzle HAN Jian,LIU Jing,WANG Hui,MA Fei,CAl Teng-fei School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yeke@ustb.edu.cn ABSTRACT To obtain characteristic pressure signals in the cavity of a self-resonating water jet nozzle,a detection system was built by using micro high-responsive pressure sensors.The characteristics of self-resonating water jet were studied and the nozzle's structure was designed.The sensors'layout was determined based on computational fluid dynamics (CFD)simulation results,and the respon- sive frequency of the sensors was determined according to theoretical calculations of the nozzle's self-excited oscillation frequency.The Hilbert-Huang transform was used due to the nonstationarity of pressure signals in the cavity.It is found that the pressure oscillation signals are focused on the frequency band of 40-60 Hz,110-150 Hz and 200-310Hz,and each frequency has different fluctuation am- plitudes.Pressure signals near the water outlet reach larger amplitudes with narrow bandwidth. KEY WORDS water jet:nozzles:oscillation cavity:vorticity:disturbance;signal analysis 自振射流是利用瞬态流和水声学原理调制而成的 由于自振喷嘴装置的设计理论还不够完善，因此自振 一种新型高效脉冲射流，兼有脉冲射流和空化射流的 射流技术的研究大多建立在实验分析的基础上4习 特点，具有强烈的压力振荡和空化破坏作用“网.尤 目前，研究自振射流的实验手段主要有冲蚀实验和打 其在淹没状态下，自振射流比普通射流具有更强的破 击力实验.冲蚀实验法是通过一定时间内单位面积上 坏力，在采矿破岩、石油钻采、船舶清洗等领域具有广 被剥离的物质量来反映射流打击效果：而打击力实验 阔的应用前景四 法是通过力传感器拾取射流打击力来衡量打击效果， 喷嘴装置是产生自振射流的核心部件，其结构形 这两种实验方法都需要借助于实验靶，属于间接测量 式和参数对射流的自激振荡效果有较大影响.但是， 方法，而且该类实验方法在判断压力脉动的来源、识别 收稿日期：2014-1105 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274021)

工程科学学报，第 37 卷，第 9 期: 1191--1197，2015 年 9 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 9: 1191--1197，September 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 09． 012; http: / /journals． ustb． edu． cn 自振射流喷嘴振荡腔内信号检测方法 韩 健，柳 靖，汪 晖，马 飞，蔡腾飞 北京科技大学机械工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: yeke@ ustb． edu． cn 摘 要 为了获取喷嘴振荡腔内的压力脉动信号，提出一种新的检测方法． 首先分析自振射流的特性，设计了产生自振射流 的喷嘴结构; 结合计算流体动力学分析喷嘴腔内动压分布，确定测压点位置; 运用流体网络理论分析自振射流的频率特性，在 此基础上确定用于实验的微型高响应压力传感器; 考虑到腔内振荡信号的非平稳性，采用希尔伯特--黄变换( HHT) 信号分析 方法． 实验结果表明，腔内振荡信号主要集中于 40 ～ 60 Hz、110 ～ 150 Hz 和 200 ～ 310 Hz 三个频带，且组成频率成分所对应的 幅值差异明显; 距离喷嘴出口较近处，自振信号振幅较大，频带窄． 关键词 水射流; 喷嘴; 振荡腔; 涡量; 扰动; 信号分析 分类号 TP69 A new detection method of fluid pulsation inside the oscillation cavity of a self-resonating water jet nozzle HAN Jian，LIU Jing，WANG Hui，MA Fei  ，CAI Teng-fei School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: yeke@ ustb． edu． cn ABSTＲACT To obtain characteristic pressure signals in the cavity of a self-resonating water jet nozzle，a detection system was built by using micro high-responsive pressure sensors． The characteristics of self-resonating water jet were studied and the nozzle’s structure was designed． The sensors’layout was determined based on computational fluid dynamics ( CFD) simulation results，and the respon￾sive frequency of the sensors was determined according to theoretical calculations of the nozzle’s self-excited oscillation frequency． The Hilbert--Huang transform was used due to the nonstationarity of pressure signals in the cavity． It is found that the pressure oscillation signals are focused on the frequency band of 40--60 Hz，110--150 Hz and 200--310 Hz，and each frequency has different fluctuation am￾plitudes． Pressure signals near the water outlet reach larger amplitudes with narrow bandwidth． KEY WOＲDS water jet; nozzles; oscillation cavity; vorticity; disturbance; signal analysis 收稿日期: 2014--11--05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51274021) 自振射流是利用瞬态流和水声学原理调制而成的 一种新型高效脉冲射流，兼有脉冲射流和空化射流的 特点，具有强烈的压力振荡和空化破坏作用［1 － 2］． 尤 其在淹没状态下，自振射流比普通射流具有更强的破 坏力，在采矿破岩、石油钻采、船舶清洗等领域具有广 阔的应用前景［3］． 喷嘴装置是产生自振射流的核心部件，其结构形 式和参数对射流的自激振荡效果有较大影响． 但是， 由于自振喷嘴装置的设计理论还不够完善，因此自振 射流技术的研究大多建立在实验分析的基础上［4 － 5］． 目前，研究自振射流的实验手段主要有冲蚀实验和打 击力实验． 冲蚀实验法是通过一定时间内单位面积上 被剥离的物质量来反映射流打击效果; 而打击力实验 法是通过力传感器拾取射流打击力来衡量打击效果． 这两种实验方法都需要借助于实验靶，属于间接测量 方法，而且该类实验方法在判断压力脉动的来源、识别

·1192 工程科学学报，第37卷，第9期 脉动信号的成分、实时分析谐振频率等方面仍存在着 d2/d1=1.62.3,D/d1=9.6~20.7,L/d1=4.8~ 局限性.为此，本文提出了一种通过检测喷嘴振荡腔 14.5.高虹回采用流体相似理论并结合实验得出亥姆 内压力脉动信号来研究自振射流的新方法，旨在探究 霍兹共振腔的结构参数：d2/d,=1.2~1.3,D/d,≤ 自振射流在振荡腔内的形成机理，以及在多物理场作 8.8,L/d,=2.4.本文研究中参考腔长L/d,,腔径D/ 用下的影响因素 d,下喷嘴直径d/d,的优化参数配比范围@，并结合 1喷嘴结构及测点布置 现有的实验条件，最终确定的喷嘴结构参数：d2/d,= 1.2,D/d,=10,L/d1=13.5. 1.1自振射流喷嘴装置 振荡腔体 碰撞壁 当稳定液体流过喷嘴谐振腔的出口收缩断面时， 产生自激压力激动，这种压力激动反馈回谐振腔形成 反馈压力振荡.图1是自振空化水射流的两种典型结 进水口 出水口 构喷嘴：风琴管喷嘴和亥姆霍兹(Helmholtz)喷嘴 适当控制谐振腔尺寸和流体的斯特劳哈尔(Strouhal) 数，使反馈压力振荡的频率与谐振腔的固有频率相等， 从而在谐振腔内形成声谐共振，使喷嘴出口射流变成 断续涡环流，从而在涡环中心产生空化，这种断续涡环 流的结构使得射流效果远远高于普通射流 a 图2自振射流喷嘴几何模型 Fig.2 Geometric model of a self-resonating water jet nozzle 1.2振荡腔测点布置 为了有效获取腔内流体脉动特征，传感器应布置 在压力信号波动最为强烈的区域.为此，利用CFD模 拟方法对该喷嘴装置在特定工况下的腔内流场分布进 行分析.湍流计算采用标准k一e模型，选用QUICK格 式对控制方程进行离散，采用气液二相流的SIMPLE 图1自振射流典型喷嘴结构装置.(a)风琴管喷嘴：(b)亥姆霍 算法进行离散方程组的求解.考虑到腔内有可 兹喷嘴 能发生空化现象，选择Mixture模型对空化过程进行描 Fig.1 Typical nozzle devices of self-resonating water jet:(a)organ pipe nozzle;(b)Helmholtz nozzle 述.结合实验条件，运行参数设置如下：上喷嘴工作压 强为3MPa,流量1L·min,喷嘴入口流速为17.6m· 由于自振射流属于无源自振，其共振频率值与谐 s,下喷嘴出口压力为大气压 振腔的入口截面、出口截面等参数相关.廖振方和唐 图3为腔内流场的数值模拟结果.由图3(a)静压 川林团研究了喷嘴装置的腔室各结构参数在自激振动 分布图可看出，在射流通过中心区后，振荡腔内出现中 中的作用，特别是下游壁形状和喷嘴直径的影响，并将 心低压区，形成了一对涡环，对轴心射流形成阻尼，从 喷嘴振荡腔简化为图2所示的物理模型.王循明圆通 而在出口处产生流速脉动.腔内壁中间部分的压力值 过大量数值仿真与实验得出腔体结构参数优化范围： 明显不同于两侧的压力值，压力脉动受涡环的影响比 压强MPa 速度/(m·s 1.98 ■18.7 1.68 15.7 1.38 12.7 0.78 9.7 0.48 6.7 0.18 3.7 0.09 07 0.03 0.3 0 图3腔内数值模拟结果.()静压分布图：(b)速度矢量图 Fig.3 Numerical simulation results in the oscillation cavity:(a)static pressure distribution:(b)velocity vector distribution

工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 脉动信号的成分、实时分析谐振频率等方面仍存在着 局限性． 为此，本文提出了一种通过检测喷嘴振荡腔 内压力脉动信号来研究自振射流的新方法，旨在探究 自振射流在振荡腔内的形成机理，以及在多物理场作 用下的影响因素． 1 喷嘴结构及测点布置 1. 1 自振射流喷嘴装置 当稳定液体流过喷嘴谐振腔的出口收缩断面时， 产生自激压力激动，这种压力激动反馈回谐振腔形成 反馈压力振荡． 图 1 是自振空化水射流的两种典型结 构喷嘴: 风琴管喷嘴和亥姆霍兹( Helmholtz) 喷嘴［1］． 适当控制谐振腔尺寸和流体的斯特劳哈尔( Strouhal) 数，使反馈压力振荡的频率与谐振腔的固有频率相等， 从而在谐振腔内形成声谐共振，使喷嘴出口射流变成 断续涡环流，从而在涡环中心产生空化，这种断续涡环 流的结构使得射流效果远远高于普通射流［6］． 图 1 自振射流典型喷嘴结构装置． ( a) 风琴管喷嘴; ( b) 亥姆霍 兹喷嘴 Fig． 1 Typical nozzle devices of self-resonating water jet: ( a) organ pipe nozzle; ( b) Helmholtz nozzle 图 3 腔内数值模拟结果． ( a) 静压分布图; ( b) 速度矢量图 Fig． 3 Numerical simulation results in the oscillation cavity: ( a) static pressure distribution; ( b) velocity vector distribution 由于自振射流属于无源自振，其共振频率值与谐 振腔的入口截面、出口截面等参数相关． 廖振方和唐 川林［7］研究了喷嘴装置的腔室各结构参数在自激振动 中的作用，特别是下游壁形状和喷嘴直径的影响，并将 喷嘴振荡腔简化为图 2 所示的物理模型． 王循明［8］通 过大量数值仿真与实验得出腔体结构参数优化范围: d2 /d1 = 1. 6 ～ 2. 3，D/d1 = 9. 6 ～ 20. 7，L /d1 = 4. 8 ～ 14. 5． 高虹［9］采用流体相似理论并结合实验得出亥姆 霍兹共振腔的结构参数: d2 /d1 = 1. 2 ～ 1. 3，D/d1 ≤ 8. 8，L /d1 = 2. 4． 本文研究中参考腔长 L /d1，腔径 D/ d1，下喷嘴直径 d2 /d1的优化参数配比范围［10］，并结合 现有的实验条件，最终确定的喷嘴结构参数: d2 /d1 = 1. 2，D/d1 = 10，L /d1 = 13. 5． 图 2 自振射流喷嘴几何模型 Fig． 2 Geometric model of a self-resonating water jet nozzle 1. 2 振荡腔测点布置 为了有效获取腔内流体脉动特征，传感器应布置 在压力信号波动最为强烈的区域． 为此，利用 CFD 模 拟方法对该喷嘴装置在特定工况下的腔内流场分布进 行分析． 湍流计算采用标准 k--ε 模型，选用 QUICK 格 式对控制方程进行离散，采用气液二相流的 SIMPLE 算法进行离散方程组的求解［11 － 14］． 考虑到腔内有可 能发生空化现象，选择 Mixture 模型对空化过程进行描 述． 结合实验条件，运行参数设置如下: 上喷嘴工作压 强为 3 MPa，流量 1 L·min － 1 ，喷嘴入口流速为 17. 6 m· s － 1 ，下喷嘴出口压力为大气压． 图 3 为腔内流场的数值模拟结果． 由图3( a) 静压 分布图可看出，在射流通过中心区后，振荡腔内出现中 心低压区，形成了一对涡环，对轴心射流形成阻尼，从 而在出口处产生流速脉动． 腔内壁中间部分的压力值 明显不同于两侧的压力值，压力脉动受涡环的影响比 ·1192·

韩健等：自振射流喷嘴振荡腔内信号检测方法 1193· 较明显.此外，入水口射流在振荡腔内产生涡量扰动， 要有频率响应快的特性.但是，传感器的频率带宽与 在射流和碰撞面的相互作用下扰动波向上游反馈形成 响应速度是相矛盾的，在二者选择上往往以满足实验 了信号发生、传输和反馈的封闭环，把入水口的连续射 要求为准则.为了提高信号检测的针对性，便于传感 流变换成出水口的振荡射流.可见，下游碰撞面在自 器的频率确定，对自振喷嘴的固有频率进行理论预估， 激振荡的形成过程中发挥重要的作用.从图中也可看 自振射流属于无源自振，当射流的自激频率与喷 出碰撞面周边存在明显的漩涡.由于腔内流体的非定 嘴的固有频率相等时，在喷嘴腔内产生强烈共振。由 常流动特性，漩涡形态会发生周期性脉动，因此碰撞面 流体管网相似理论，可得到自振喷嘴的固有频率，进而 处存在明显的压力信号波动 确定实验检测的频率范围。李晓红和杨林运用流 从图3(b)速度矢量图可以发现，喷嘴入水口处流 体网络模型建立了自激振荡脉冲射流装置的相似网络 速上升，产生中心射流加速区，射流加速反过来促进射 模型，将喷嘴装置及管路视为刚性系统，以流体质量流 流中心外围轴对称低压涡环的形成，产生包裹在中心 量比拟电流，以流体压力比拟电压，计算得到系统固有 射流外围的轴对称负压区，对轴心处的射流中心形成 频率ωn: 阻尼，促使连续射流产生水力脉动.此外，由于腔内射 流进入空间较小的喷嘴出水口时，出水口管段对上游 A215Cn ad, 1+ 来流产生阻挡，形成碰撞高压区，在碰撞面的作用下扰 A 52CrL (1) 动波向上游反馈，而由中心射流区剪切层边界、腔体内 VL.C D Llo 壁和碰撞壁组成的边界低速区，可以对腔内中心负压 r= ( (2) 区进行流速大小和方向的调整. AC 根据模拟结果，确定传感器布置形式如图4所示. L=- (3) 在振荡腔体外沿轴向不同高度布置两个信号采集孔， 其中2号传感器到碰撞面的距离大于1号传感器到碰 C.=D'L 4a3 (4) 撞面的距离，相位相差180°，采集腔内壁不同位置的 式中：r为流阻，u为流体速度，（为喷嘴的局部阻力系 振荡信息.在振荡腔碰撞面安装有3号传感器，采集 数，D和L分别为振荡腔的直径和长度，C为喷嘴的流 碰撞面处的水压脉动信息，综合分析腔内流体特征，研 量系数，A为喷嘴口截面积，L为喷嘴前管路的流感， 究腔内压力变化特性 d,和l,分别为喷嘴前管路直径及长度，C.为振荡腔室 上喷嘴 流容，a为振荡腔内流体的波速，下标1、2分别代表上 喷嘴和下喷嘴 本实验中，取局部阻力系数(1=1,2=0.4，喷 振荡腔体 嘴流量系数Cn=0.707,Ce=0.85.考虑到射流中存 2号传感器 后号孔 在由空化引起的气泡，取a=300ms17.因此，自振 1号传感器 频率可表示为 信号孔 下站 /=%=4+1.87(d,d） (5) 3号传感器 2πDL。 信号孔 将喷嘴参数d=1.1mm,d2/d=1.2,D/d=10, L/d1=13.5,d。/d=4.5,。/d,=1500代入式(5)可得 图4传感器布置及安装方式 自振频率∫=357Hz. Fig.4 Installation of sensors 根据计算所得的自振频率，选择高频响动态压力 1.3压力传感器选择 传感器，以测得较宽的信号频率范围，较好地拾取腔内 考虑到本文实验条件的特殊性，选用的压力传感 振动信号.考虑所设计的喷嘴装置的结构尺寸较小， 器需要满足下列条件：防水、体积小、动态响应快.实 因此需要选取尺寸和重量较小的压力传感器进行信号 验过程中，自振喷嘴装置处于淹没状态，因此压力传感 拾取，以避免装配中的干涉问题和附加重量的影响. 器必须具备在一定环境围压下的防水功能.其次，自 在本实验中，传感器选择CYY8高频响压力传感器，其 振喷嘴本身体积很小，要在喷嘴上同时安装多个压力 动态频率响应极高（最高可达到280kHz),包含低至零 传感器非常困难，所以压力传感器的体积越小越好 频及高至固有频率的宽频带响应，而且具有低至微秒 此外，自振射流为非稳态流体，频率成分复杂，瞬时变 级的上升时间.信号0~5V输出对应量程0~7MPa, 化快，这就要求压力传感器既具有频率响应范围宽又 测量精度为0.1%.传感器连接方式选用螺纹连接，便

韩 健等: 自振射流喷嘴振荡腔内信号检测方法 较明显． 此外，入水口射流在振荡腔内产生涡量扰动， 在射流和碰撞面的相互作用下扰动波向上游反馈形成 了信号发生、传输和反馈的封闭环，把入水口的连续射 流变换成出水口的振荡射流． 可见，下游碰撞面在自 激振荡的形成过程中发挥重要的作用． 从图中也可看 出碰撞面周边存在明显的漩涡． 由于腔内流体的非定 常流动特性，漩涡形态会发生周期性脉动，因此碰撞面 处存在明显的压力信号波动． 从图 3( b) 速度矢量图可以发现，喷嘴入水口处流 速上升，产生中心射流加速区，射流加速反过来促进射 流中心外围轴对称低压涡环的形成，产生包裹在中心 射流外围的轴对称负压区，对轴心处的射流中心形成 阻尼，促使连续射流产生水力脉动． 此外，由于腔内射 流进入空间较小的喷嘴出水口时，出水口管段对上游 来流产生阻挡，形成碰撞高压区，在碰撞面的作用下扰 动波向上游反馈，而由中心射流区剪切层边界、腔体内 壁和碰撞壁组成的边界低速区，可以对腔内中心负压 区进行流速大小和方向的调整． 根据模拟结果，确定传感器布置形式如图 4 所示． 在振荡腔体外沿轴向不同高度布置两个信号采集孔， 其中 2 号传感器到碰撞面的距离大于 1 号传感器到碰 撞面的距离，相位相差 180°，采集腔内壁不同位置的 振荡信息． 在振荡腔碰撞面安装有 3 号传感器，采集 碰撞面处的水压脉动信息，综合分析腔内流体特征，研 究腔内压力变化特性． 图 4 传感器布置及安装方式 Fig． 4 Installation of sensors 1. 3 压力传感器选择 考虑到本文实验条件的特殊性，选用的压力传感 器需要满足下列条件: 防水、体积小、动态响应快． 实 验过程中，自振喷嘴装置处于淹没状态，因此压力传感 器必须具备在一定环境围压下的防水功能． 其次，自 振喷嘴本身体积很小，要在喷嘴上同时安装多个压力 传感器非常困难，所以压力传感器的体积越小越好． 此外，自振射流为非稳态流体，频率成分复杂，瞬时变 化快，这就要求压力传感器既具有频率响应范围宽又 要有频率响应快的特性． 但是，传感器的频率带宽与 响应速度是相矛盾的，在二者选择上往往以满足实验 要求为准则． 为了提高信号检测的针对性，便于传感 器的频率确定，对自振喷嘴的固有频率进行理论预估． 自振射流属于无源自振，当射流的自激频率与喷 嘴的固有频率相等时，在喷嘴腔内产生强烈共振． 由 流体管网相似理论，可得到自振喷嘴的固有频率，进而 确定实验检测的频率范围． 李晓红和杨林［15］运用流 体网络模型建立了自激振荡脉冲射流装置的相似网络 模型，将喷嘴装置及管路视为刚性系统，以流体质量流 量比拟电流，以流体压力比拟电压，计算得到系统固有 频率 ωn : ωn = 1 + r1 槡 r2 1 槡LnCn = ad0 1 + v1A2 槡ζ1Cf 2 v 槡 2A1 槡ζ2Cf 1 D 槡Ll0 ，( 1) r = v槡ζ ACf ， ( 2) Ln = 4l0 πd2 0 ， ( 3) Cn = πD2 L 4a2 ． ( 4) 式中: r 为流阻，v 为流体速度，ζ 为喷嘴的局部阻力系 数，D 和 L 分别为振荡腔的直径和长度，Cf为喷嘴的流 量系数，A 为喷嘴口截面积，Ln为喷嘴前管路的流感， d0和 l0分别为喷嘴前管路直径及长度，Cn为振荡腔室 流容，a 为振荡腔内流体的波速，下标 1、2 分别代表上 喷嘴和下喷嘴． 本实验中，取局部阻力系数 ζ1 = 1，ζ2 = 0. 4 ［16］，喷 嘴流量系数 Cf1 = 0. 707，Cf2 = 0. 85． 考虑到射流中存 在由空化引起的气泡，取 a = 300 m·s － 1［17］． 因此，自振 频率可表示为 f = ωn 2π = ad0 1 + 1. 87 ( d2 /d1 槡 ) 4 2πD 槡Ll0 ． ( 5) 将喷 嘴 参 数 d1 = 1. 1 mm，d2 /d1 = 1. 2，D/d1 = 10， L /d1 = 13. 5，d0 /d1 = 4. 5，l0 /d1 = 1500 代入式( 5) 可得 自振频率 f = 357 Hz． 根据计算所得的自振频率，选择高频响动态压力 传感器，以测得较宽的信号频率范围，较好地拾取腔内 振动信号． 考虑所设计的喷嘴装置的结构尺寸较小， 因此需要选取尺寸和重量较小的压力传感器进行信号 拾取，以避免装配中的干涉问题和附加重量的影响． 在本实验中，传感器选择 CYY8 高频响压力传感器，其 动态频率响应极高( 最高可达到280 kHz) ，包含低至零 频及高至固有频率的宽频带响应，而且具有低至微秒 级的上升时间． 信号 0 ～ 5 V 输出对应量程 0 ～ 7 MPa， 测量精度为 0. 1% ． 传感器连接方式选用螺纹连接，便 ·1193·

·1194 工程科学学报，第37卷，第9期 于安装和拆卸，通过螺纹底端的0形圈保证密封 2实验 2.1实验系统 自振射流实验系统如图5所示.实验系统主要由 水箱、三柱塞水泵、流量计、蓄能器、喷嘴装置、传感器 和数据采集系统组成 喷嘴装置 传感器 1011 射流 图6自振射流实验 Fig.6 Self-resonating water jet experiment 频谱图中有三条谱线，其频率范围是40~60Hz,110~ 1一水箱：2一过滤器：3一水泵：4一单向阀：5一溢流阀：6一安 150Hz,200~310Hz:3号传感器的Hilbert时频谱图中 全截止阀：7一蓄能器：8一流量计：9一压力表：10一喷嘴装置： 也有三条谱线，其频率范围是40~60Hz,80~120Hz, 11一喷嘴固定支架：12一数据采集系统：13一计算机 图5实验系统图 150~250Hz.由于管路的机械振动和管内流体压力的 Fig.5 Chart of the experimental system 波动，各测点获得的主要频率均绕其中心频率上下波 动，并且由于振荡腔内剪切层的不稳定性，导致腔内涡 三柱塞水泵提供的高压水通过系统管路流入喷嘴 环结构复杂，自振频率随时间变化，即围绕中心频率上 装置，电磁流量计计量系统中的流量，利用蓄能器吸收 下波动.本实验采用三柱塞水泵，电机工作频率是 水泵和管路的脉动，减少管路来流的脉动干扰.在自 50Hz,水泵的工作转速在2500~3000rmin.图8中 振喷嘴装置轴向不同高度上，根据数值模拟结果选定 各测点信号中40~60Hz的频带与电机的工作频率相 两个信号采集孔位置，并安装压力传感器，用来拾取腔 吻合，频带110~150Hz与水泵的柱塞往复频率一致， 内振荡信号.信号将由多功能数据采集系统负责采 200~310Hz的频带为射流的自振频率. 集，并通过计算机专用软件进行处理.由于腔内流场 图9为希尔伯特边际谱.边际谱是对信号中各个 呈非定常状态，故采用希尔伯特一黄(Hilbert--Huang) 频率成分的幅值的整体测度，它表示信号在概率意义 现代信号分析方法对获得的非平稳信号进行时频 上的累积幅值，反映信号的幅值在整个频率段上随频 分析0阅 率的变化情况.从图中可以看出，组成自振频率的各 自振射流实验如图6所示.实验中水泵出水压强 频率成分所对应的脉动幅值不同，能量集中程度不同. 设定为3MPa,压力传感器按图4所示布置，1、2号传 这是由于腔内涡环和碰撞面相互作用，产生的扰动向 感器拾取腔内壁压力信号，3号传感器拾取碰撞面处 上游反馈时，不同频率的扰动在不同位置得以不同程 压力信号.LMS多功能数据采集器采集数据，依据式 度的放大.距离出水口较近的1号传感器与距离出水 (5)得到的自振频率，设定截止频率为800Hz,同时开 口较远的2号传感器，二者的信号频带分布接近，只是 启低通滤波，减少高频噪声的干扰.实验系统正常工 振幅大小的不同.1号传感器获取到更强的自振信号， 作3min后开始采集数据，数据记录时间为l0s,采样 而2号传感器信号中自振频带振幅较小，电机及水泵 频率设置为5120Hz.实验数据实时传输至计算机，压 的工作频率能量较为明显.在该区域新的扰动与原扰 力变化曲线由LMS Test.Xpress8A软件绘制并观察. 动频率较为接近且具有合适的相位关系，加之受涡环 2.2实验结果分析 与碰撞面的作用，涡量扰动与剪切层放大作用具有一 实验结果如图7所示.腔内壁位于静止区，压力 致性，但新的扰动脉动强度随着传播距离的增大而衰 值小，波动不大：涡旋与碰撞面相互作用区压强波动较 弱.位于碰撞面处的3号传感器信号的自振频段较 大.采用希尔伯特一黄信号分析方法对压力脉动信号 低，自振频段和水泵的柱塞往复频率存在部分重叠，其 进行分析，得到时频谱图及频谱图如图8和图9所示. 频段分布与腔壁两个传感器获取的信号有明显差异， 在图8中，1号传感器和2号传感器的Hilbert时 可以理解为在该区域发生上游流体在下游碰撞面处撞

工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 于安装和拆卸，通过螺纹底端的 O 形圈保证密封． 2 实验 2. 1 实验系统 自振射流实验系统如图 5 所示． 实验系统主要由 水箱、三柱塞水泵、流量计、蓄能器、喷嘴装置、传感器 和数据采集系统组成． 1—水箱; 2—过滤器; 3—水泵; 4—单向阀; 5—溢流阀; 6—安 全截止阀; 7—蓄能器; 8—流量计; 9—压力表; 10—喷嘴装置; 11—喷嘴固定支架; 12—数据采集系统; 13—计算机 图 5 实验系统图 Fig． 5 Chart of the experimental system 三柱塞水泵提供的高压水通过系统管路流入喷嘴 装置，电磁流量计计量系统中的流量，利用蓄能器吸收 水泵和管路的脉动，减少管路来流的脉动干扰． 在自 振喷嘴装置轴向不同高度上，根据数值模拟结果选定 两个信号采集孔位置，并安装压力传感器，用来拾取腔 内振荡信号． 信号将由多功能数据采集系统负责采 集，并通过计算机专用软件进行处理． 由于腔内流场 呈非定常状态，故采用希尔伯特--黄( Hilbert--Huang) 现代信号分析方法对获得的非平稳信号进行时频 分析［18］． 自振射流实验如图 6 所示． 实验中水泵出水压强 设定为 3 MPa，压力传感器按图 4 所示布置，1、2 号传 感器拾取腔内壁压力信号，3 号传感器拾取碰撞面处 压力信号． LMS 多功能数据采集器采集数据，依据式 ( 5) 得到的自振频率，设定截止频率为 800 Hz，同时开 启低通滤波，减少高频噪声的干扰． 实验系统正常工 作 3 min 后开始采集数据，数据记录时间为 10 s，采样 频率设置为 5120 Hz． 实验数据实时传输至计算机，压 力变化曲线由 LMS Test． Xpress 8A 软件绘制并观察． 2. 2 实验结果分析 实验结果如图 7 所示． 腔内壁位于静止区，压力 值小，波动不大; 涡旋与碰撞面相互作用区压强波动较 大． 采用希尔伯特--黄信号分析方法对压力脉动信号 进行分析，得到时频谱图及频谱图如图 8 和图 9 所示． 在图 8 中，1 号传感器和 2 号传感器的 Hilbert 时 图 6 自振射流实验 Fig． 6 Self-resonating water jet experiment 频谱图中有三条谱线，其频率范围是 40 ～ 60 Hz，110 ～ 150 Hz，200 ～ 310 Hz; 3 号传感器的 Hilbert 时频谱图中 也有三条谱线，其频率范围是 40 ～ 60 Hz，80 ～ 120 Hz， 150 ～ 250 Hz． 由于管路的机械振动和管内流体压力的 波动，各测点获得的主要频率均绕其中心频率上下波 动，并且由于振荡腔内剪切层的不稳定性，导致腔内涡 环结构复杂，自振频率随时间变化，即围绕中心频率上 下波动． 本实验采用三柱塞水泵，电机工作频 率 是 50 Hz，水泵的工作转速在 2500 ～ 3000 r·min － 1 ． 图 8 中 各测点信号中 40 ～ 60 Hz 的频带与电机的工作频率相 吻合，频带 110 ～ 150 Hz 与水泵的柱塞往复频率一致， 200 ～ 310 Hz 的频带为射流的自振频率． 图 9 为希尔伯特边际谱． 边际谱是对信号中各个 频率成分的幅值的整体测度，它表示信号在概率意义 上的累积幅值，反映信号的幅值在整个频率段上随频 率的变化情况． 从图中可以看出，组成自振频率的各 频率成分所对应的脉动幅值不同，能量集中程度不同． 这是由于腔内涡环和碰撞面相互作用，产生的扰动向 上游反馈时，不同频率的扰动在不同位置得以不同程 度的放大． 距离出水口较近的 1 号传感器与距离出水 口较远的 2 号传感器，二者的信号频带分布接近，只是 振幅大小的不同． 1 号传感器获取到更强的自振信号， 而 2 号传感器信号中自振频带振幅较小，电机及水泵 的工作频率能量较为明显． 在该区域新的扰动与原扰 动频率较为接近且具有合适的相位关系，加之受涡环 与碰撞面的作用，涡量扰动与剪切层放大作用具有一 致性，但新的扰动脉动强度随着传播距离的增大而衰 弱． 位于碰撞面处的 3 号传感器信号的自振频段较 低，自振频段和水泵的柱塞往复频率存在部分重叠，其 频段分布与腔壁两个传感器获取的信号有明显差异， 可以理解为在该区域发生上游流体在下游碰撞面处撞 ·1194·

韩健等：自振射流喷嘴振荡腔内信号检测方法 ·1195· 902.5 904 (b) 902.0 903 90.5 89.0 898.5 898 898.0 897 89750 1000 200030004000 50006000 8960 10002000300040005000.6000 时间点数 时间/点数 852.0 851.5 851.0 850.5 850.0 849.5 849.0 848.5 848.0 1000 20003000400050006000 时间/点数 图7腔内原始压力信号图.(a)1号传感器信号：(b)2号传感器信号：(c)3号传感器信号 Fig.7 Original pressure signals inside the cavity:(a)signal No.1:(b)signal No.2:(c)signal No.3 400 400 b 350 300 250 2 0 150 100 50H 100 200 300 400 00 100 200 300 400 500 时间/点数 时间/点数 400 (c) 350 300 250 150 100 100 200 300 400 500 时间/点数 图8压力信号的希尔伯特-黄变换时频谱图.(a)1号传感器信号：(b)2号传感器信号：()3号传感器信号 Fig.8 Hilbert spectra of pressure signals:(a)signal No.1:(b)signal No.2:(c)signal No.3

韩 健等: 自振射流喷嘴振荡腔内信号检测方法 图 7 腔内原始压力信号图． ( a) 1 号传感器信号; ( b) 2 号传感器信号; ( c) 3 号传感器信号 Fig． 7 Original pressure signals inside the cavity: ( a) signal No. 1; ( b) signal No. 2; ( c) signal No. 3 图 8 压力信号的希尔伯特--黄变换时频谱图． ( a) 1 号传感器信号; ( b) 2 号传感器信号; ( c) 3 号传感器信号 Fig． 8 Hilbert spectra of pressure signals: ( a) signal No. 1; ( b) signal No. 2; ( c) signal No. 3 ·1195·

·1196 工程科学学报，第37卷，第9期 5 (a) 45 3 25 2 1.5 0.5 '0100200300400500600700800 06100200300400500600700800 颍率Hz 频率Hz (a)测点1 b)测点2 5.0 c 4.5 4.0 35 3.0 2.5 2.0 15 1.0 05 06100200300400500600700800 频率Hz (C)测点3 图9压力信号的边际谱图.(a)1号传感器信号：(b)2号传感器信号：()3号传感器信号 Fig.9 Marginal spectra of pressure signals:(a)signal No.1:(b)signal No.2;(c)signal No.3 击产生压力扰动波向上游反馈，在剪切层分离处诱发 jet technology in petroleum engineering.Eng Sci,2002,4(12):60 新的扰动，该扰动的频率可能受到来流频率的影响. (沈忠厚，李根生，王瑞和.水射流技术在石油工程中的应用 及前景展望.中国工程科学，2002,4(12)：60) 3结论 Ma F,Song Z H.Dynamic property and breaking soil mechanism of water jet.J Unin Sci Technol Beijing,2006,28(5):413 (1)提出一种研究自振射流的新方法，即通过检 (马飞，宋志辉.水射流动力特性及破土机理.北京科技大学 测振荡腔内流体的谐振状态来研究自振射流.与常规 学报，2006,28(5)：413) 的打击力实验相比，该实验方法可不受打击靶距和环 B] Li G S,Shen Z H,Zhou C S.Advances in investigation and 境围压的限制，能够直接反映射流的自激振荡效果，直 application of self-resonating cavitating water Jet.Eng Sci,2005, 观且具有实时性. 7(1):27 (李根生，沈忠厚，周长山.自振空化射流研究与应用进展 (2)通过实验表明，该实验方法能够准确地检测 中国工程科学，2005,7(1)：27) 出振荡腔内的压力脉动，并清晰地识别出信号的频率 Li G S,Shen Z H,Zhang Z P.Development and field tests of 成分. self-resonating cavitating water jet nozzle for oilwell drilling.Per (3)因存在管路流体扰动以及腔内剪切层涡动， Drill Tech,2003,31(5):11 正常情况下振荡腔内的流态为非定常流动，所以检测 (李根生，沈忠厚，张召平.自振空化射流钻头喷嘴研制及现 得到的压力脉动信号为非平稳信号，经希尔伯特一黄 场试验.石油钻探技术，2003,31(5)：11) 5 Xiang W Y,Lu YY,Li X H.Experimental study of domino (HHT)变换分析后各组成信号的频率均具有时变性， effect on submerged abrasive water jets.J Cent South Unit Sci 但频率变化均在一定范围内.另外，各频率成分所对 Technol,.2009,40(6):1500 应的脉动幅值不同，表明振荡腔具有选择性放大作用. (向文英，卢义玉，李晓红.淹没磨料射流效应实验研究.中 南大学学报：自然科学版，2009,40(6)：1500) 参考文献 6]Yi C,Li G S.Zhang D G.Laboratory and field study of enhan- [1]Shen Z H,Li CS,Wang R H.Application and prospeets of water cing cavitation effect with self-resonating nozzle under ambient

工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 图 9 压力信号的边际谱图． ( a) 1 号传感器信号; ( b) 2 号传感器信号; ( c) 3 号传感器信号 Fig． 9 Marginal spectra of pressure signals: ( a) signal No. 1; ( b) signal No. 2; ( c) signal No. 3 击产生压力扰动波向上游反馈，在剪切层分离处诱发 新的扰动，该扰动的频率可能受到来流频率的影响． 3 结论 ( 1) 提出一种研究自振射流的新方法，即通过检 测振荡腔内流体的谐振状态来研究自振射流． 与常规 的打击力实验相比，该实验方法可不受打击靶距和环 境围压的限制，能够直接反映射流的自激振荡效果，直 观且具有实时性． ( 2) 通过实验表明，该实验方法能够准确地检测 出振荡腔内的压力脉动，并清晰地识别出信号的频率 成分． ( 3) 因存在管路流体扰动以及腔内剪切层涡动， 正常情况下振荡腔内的流态为非定常流动，所以检测 得到的压力脉动信号为非平稳信号，经希尔伯特--黄 ( HHT) 变换分析后各组成信号的频率均具有时变性， 但频率变化均在一定范围内． 另外，各频率成分所对 应的脉动幅值不同，表明振荡腔具有选择性放大作用． 参 考 文 献 ［1］ Shen Z H，Li G S，Wang Ｒ H． Application and prospects of water jet technology in petroleum engineering． Eng Sci，2002，4( 12) : 60 ( 沈忠厚，李根生，王瑞和． 水射流技术在石油工程中的应用 及前景展望． 中国工程科学，2002，4( 12) : 60) ［2］ Ma F，Song Z H． Dynamic property and breaking soil mechanism of water jet． J Univ Sci Technol Beijing，2006，28( 5) : 413 ( 马飞，宋志辉． 水射流动力特性及破土机理． 北京科技大学 学报，2006，28( 5) : 413) ［3］ Li G S，Shen Z H，Zhou C S． Advances in investigation and application of self-resonating cavitating water Jet． Eng Sci，2005， 7( 1) : 27 ( 李根生，沈忠厚，周长山． 自振空化射流研究与应用进展． 中国工程科学，2005，7( 1) : 27) ［4］ Li G S，Shen Z H，Zhang Z P． Development and field tests of self-resonating cavitating water jet nozzle for oilwell drilling． Pet Drill Tech，2003，31( 5) : 11 ( 李根生，沈忠厚，张召平． 自振空化射流钻头喷嘴研制及现 场试验． 石油钻探技术，2003，31( 5) : 11) ［5］ Xiang W Y，Lu Y Y，Li X H． Experimental study of domino effect on submerged abrasive water jets． J Cent South Univ Sci Technol，2009，40( 6) : 1500 ( 向文英，卢义玉，李晓红． 淹没磨料射流效应实验研究． 中 南大学学报: 自然科学版，2009，40( 6) : 1500) ［6］ Yi C，Li G S，Zhang D G． Laboratory and field study of enhan￾cing cavitation effect with self-resonating nozzle under ambient ·1196·

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