·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·