蔡腾飞等：基于管道流体信号的自振射流特性检测方法 ·379· f=5,号 (1) min-1,齿轮箱减速比为4.45，据此可得到三柱塞高 压泵引起的压力脉动基频f为6.98Hz.依据流体 式中，S,为喷嘴的Strouhal数；d为喷嘴出口直径；v 涡动理论S取0.12~0.2，由式(1)可得到f的 为射流出口速度. 取值范围 而风琴管喷嘴的结构固有频率，取决于风琴管 谐振腔的入口截面(D,/D)2和出口截面(D/)2的收 表2试验参数及自激频率 Table 2 Test parameters and self-resonating frequency 缩程度，其中，D,为入口直径：D为腔径；固有频率f v/(m-s-1) al(m's-1)f/Hz Sa f/kHz 的表达式为☒ 165 1450 6.98 0.12-0.29.916.5 人，是 (2) K=2W-1 N=1,2,3… (3) 2试验与分析 4 式中，K,为模数系数，N为振荡模数，a为声音在水 自振射流的特性主要指其压力振荡特性和空化 中传播速度，L为喷嘴谐振腔长度 特性，本文将从自振射流特性的这两个方面进行试 当自激频率∫的大小接近固有频率∫时系统将 验研究. 产生流体共振，形成具有强烈压力振荡和空化作用 2.1压力振荡特性 的自振射流，此时射流达到最佳自振效果. 压力振荡特性是自振射流的主要特性，通常用 试验选用的风琴管喷嘴的结构参数见表1，表 射流压力脉动信号的时域和频域特征来描述 中固有频率f由式(2)、(3)计算得到. 2.1.1时域特性 选取测点1、2进行试验，试验参数如表2，试验 D 时调节围压及靶距参数使射流达到最佳自振效果， 围压1.6MPa,靶距3d,此时对测点1、2进行同步采 集，获得测点1、2的时域压力信号如图3所示 由图3(a)可看出，测点1信号为低频压力脉 动，振幅约为0.8MPa,测点2信号为高频压力振荡， 振幅约为2.0MPa,是测点1的2.5倍，且包含测点 1的频率成分.从图3(b)局部放大图也可以看出，6 ms内测点1信号近似为一条直线，呈低频特征，而 测点2信号呈现明显的高频周期特征，并含有大量 图2风琴管喷嘴结构 Fig.2 Organ-pipe nozzle structure 的高频噪声. 测点1靠近高压泵出口，其采集的信号主要来 表1喷嘴结构参数及固有频率 Table 1 Organ-pipe nozzle structure and natural frequency 自高压泵三柱塞往复运动引起的低频压力脉动和管 D./mm D/mm d/mm L/mm f/kHz 路随机干扰：测点2靠近试验喷嘴，其获取的信号主 23 10 2 24 14.9 要是射流发生自振时引起的高频压力振荡和强烈空 化噪声.根据声学理论，测点2的高频振荡信号沿 试验过程中始终保持喷嘴出口流速，不变，试 管道流体向上游传播，但衰减损失大，测点1的低频 验参数见表2.稳定流速下，电动机转速为621r· 脉动信号沿管道流体向下游传播，但衰减损失小，故 b 测点1 测点2 4 0.6 0.0010.0020.0030.0040.0050.006 时间s 时间s 图3压力信号时域波形(a)及局部放大的时域波形(b) Fig.3 Time-domain waveform of the pressure signal (a)and the locally amplified time-domain waveform (b)蔡腾飞等: 基于管道流体信号的自振射流特性检测方法 fj = Sd v d ( 1) 式中，Sd为喷嘴的 Strouhal 数; d 为喷嘴出口直径; v 为射流出口速度． 而风琴管喷嘴的结构固有频率，取决于风琴管 谐振腔的入口截面( Ds /D) 2 和出口截面( D / d) 2 的收 缩程度，其中，Ds为入口直径; D 为腔径; 固有频率 f 的表达式为［12］ f = KN a L ( 2) KN = 2N － 1 4 N = 1，2，3… ( 3) 式中，KN为模数系数，N 为振荡模数，a 为声音在水 中传播速度，L 为喷嘴谐振腔长度． 当自激频率 fj的大小接近固有频率 f 时系统将 产生流体共振，形成具有强烈压力振荡和空化作用 的自振射流，此时射流达到最佳自振效果． 试验选用的风琴管喷嘴的结构参数见表 1，表 中固有频率 f 由式( 2) 、( 3) 计算得到． 图 2 风琴管喷嘴结构 Fig． 2 Organ-pipe nozzle structure 表 1 喷嘴结构参数及固有频率 Table 1 Organ-pipe nozzle structure and natural frequency Ds /mm D/mm d /mm L /mm f / kHz 23 10 2 24 14. 9 图 3 压力信号时域波形( a) 及局部放大的时域波形( b) Fig． 3 Time-domain waveform of the pressure signal ( a) and the locally amplified time-domain waveform ( b) 试验过程中始终保持喷嘴出口流速 v 不变，试 验参数见表 2． 稳定流速下，电动机转速为 621 r· min － 1，齿轮箱减速比为 4. 45，据此可得到三柱塞高 压泵引起的压力脉动基频 fp为 6. 98 Hz． 依据流体 涡动理论 Sd取 0. 12 ～ 0. 2［13］，由式( 1) 可得到 fj的 取值范围． 表 2 试验参数及自激频率 Table 2 Test parameters and self-resonating frequency v/( m·s － 1 ) a /( m·s － 1 ) fp /Hz Sd fj / kHz 165 1450 6. 98 0. 12 ～ 0. 2 9. 9 ～ 16. 5 2 试验与分析 自振射流的特性主要指其压力振荡特性和空化 特性，本文将从自振射流特性的这两个方面进行试 验研究． 2. 1 压力振荡特性 压力振荡特性是自振射流的主要特性，通常用 射流压力脉动信号的时域和频域特征来描述． 2. 1. 1 时域特性 选取测点 1、2 进行试验，试验参数如表 2，试验 时调节围压及靶距参数使射流达到最佳自振效果， 围压 1. 6 MPa，靶距 3d，此时对测点 1、2 进行同步采 集，获得测点 1、2 的时域压力信号如图 3 所示． 由图 3( a) 可看出，测点 1 信号为低频压力脉 动，振幅约为 0. 8 MPa，测点 2 信号为高频压力振荡， 振幅约为 2. 0 MPa，是测点 1 的 2. 5 倍，且包含测点 1 的频率成分． 从图 3( b) 局部放大图也可以看出，6 ms 内测点 1 信号近似为一条直线，呈低频特征，而 测点 2 信号呈现明显的高频周期特征，并含有大量 的高频噪声． 测点 1 靠近高压泵出口，其采集的信号主要来 自高压泵三柱塞往复运动引起的低频压力脉动和管 路随机干扰; 测点 2 靠近试验喷嘴，其获取的信号主 要是射流发生自振时引起的高频压力振荡和强烈空 化噪声． 根据声学理论，测点 2 的高频振荡信号沿 管道流体向上游传播，但衰减损失大，测点 1 的低频 脉动信号沿管道流体向下游传播，但衰减损失小，故 · 973 ·