一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置与方法
【专利摘要】本发明提供一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置与方法，属于工业清洗领域。该装置在喷嘴装置振荡腔体外周和振荡腔碰撞面下端设置信号采集孔，传感器一端连接信号采集孔，一端连接多功能数据采集系统数采前端，通过数据采集系统将传感器拾取到的信息进行处理分析，并将数据送入计算机进行分析处理，获得HHT时频亮度谱图及HHT边际谱图。通过综合分析比较来判定信号中各个频率成分的来源，提取振荡频率成分。为进一步分析不同结构参数、来流参数等对自激振荡的影响，研究自激振荡射流机理，获得最佳自激振荡射流效果提供了有效手段。本装置操作方便，反应直观，为将来的喷嘴装置产品出厂检测提供了测试手段。
【专利说明】一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业清洗领域，特别是指一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置与方法。
【背景技术】
[0002]水射流是以水为介质，通过高压发生装置获得巨大能量后，用一种特定的流体运动方式，从一定形状的喷嘴，以很高的速度喷射出来、能量高度集中的一股水流。自激振荡射流是利用流体力学、流体共振、流体弹性学和水声学等原理发展起来的一种新型高效脉冲射流，是一种典型的非定常多相流动，是通过自激在特殊的流体结构中产生振荡，将连续射流变成振荡脉冲射流。它兼有脉冲射流、空化射流的特点。传统的水射流实验以破碎实验和空化噪声分析为主。破碎实验通过射流的打击效果进行分析，而无法对射流本身的流体动力特征进行分析，这种检测方法具有其局限性，包括无法辨别振荡的来源，反应振荡情况不够直观等。因此，研制一种操作方便且反应直接直观的射流喷嘴腔内振荡信号的检测方法对于自激振荡射流喷嘴的产品化生产及自激振荡射流技术的推广与应用具有重要意义。
[0003]在自激振荡射流流场中，各点的流体力学特性不仅随其位置变化而变化，而且随着时间变化而变化，流体质点的速度随位置和时间产生一定的波动，呈非定常状态。此外，由于自激振荡效果的产生不仅与振荡腔结构尺寸有关，还与水射流的工作参数相关，而在整个工作系统中，由于电机、水泵和管路等因素的影响，射流中包含的干扰因素较多。以快速傅立叶为核心的传统频谱分析方法在平稳信号特征提取中发挥了重要作用，但对非平稳信号进行分析时其结果失去了物理意义。快速傅里叶变换(FFT)频谱有较严重的能量泄露并且分辨率较低，得到的图像较分散，频带分辨困难。因此研制一种专用于自激振荡射流装置腔内非定常流动特性的检测方法有其必要性。一方面，考虑到在脉冲射流形成过程中的非定常流动特性，喷嘴装置振荡腔体的信号采集孔需按照不同高度和相位布置，以便采集到腔内不同位置的压力脉动信号；另一方面，通过对压力信号的高频采样，通过希尔伯特黄变换(HHT)得到时间一频率一能量三维图，频带更为集中和清晰，有利于分析自激喷嘴的频率特性，研究脉冲射流的形成机理。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置与方法。
[0005]一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置，包括水箱、过滤器、水泵、单向阀、流量计、安全截止阀、蓄能器、压力表、喷嘴装置、振荡腔体外周信号采集孔、振荡腔体碰撞面下端信号采集孔、喷嘴装置入水口、喷嘴装置出水口、多功能数据采集系统和计算机；其中水箱、过滤器、水泵、单向阀和流量计依次相连，在流量计和压力表之间设置安全截止阀和蓄能器，喷嘴装置上布置振荡腔体外周信号采集孔、振荡腔体碰撞面下端信号采集孔、喷嘴装置入水口和喷嘴装置出水口，振荡腔体外周信号采集孔和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔通过多功能数据采集系统与计算机相连，在振荡腔体外周按照不同相位和高度设置有振荡腔体外周信号采集孔，以避免采集孔在空间位置上的干涉，并可保证采集到腔内不同位置的振荡信息，在振荡腔碰撞面设置有振荡腔体碰撞面下端信号采集孔，保证采集到碰撞面处的水压脉动信息，以便研究腔内非定常流动特性及脉冲射流的形成机理；且振荡腔体外周信号采集孔和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔采用变径设计，即在传感器安装孔的基础上钻小孔，这样既能保证可以测到水压，也避免了在有限体积上的干涉问题。
[0006]一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置，其检测方法为:由水泵提供的高压水通过系统管路接入喷嘴装置，流量计用来计量系统中的工作水的流量，蓄能器用来吸收泵的脉动，减少传感器采集到的信号中的干扰信息，高动态微型压力传感器分别通过螺纹连接拧入振荡腔体外周信号采集孔和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔，采集振荡信息，通过多功能数据采集系统将传感器拾取到的信息传输到多功能数据采集系统数采前端，通过多功能数据采集系统设定合适的采样频率将传感器拾取到的信息进行处理分析，并将数据导出送入计算机，通过HHT时频分析方法对原始数据进行预处理和后处理，进而提取所需要的自激振荡信息，研究振荡射流效果。
[0007]其中，HHT时频分析方法首先通过经验模态分解(EMD)，即通过不同的尺度将振荡腔体外周信号采集孔和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔采集到的压力脉动信号分解成一系列本征模函数(IMF)，各IMF分量很好的提取了原信号内部频率信息，使信号得到精确的表达；然后对每一个固有模态函数进行希尔伯特变换，求出每个固有模态函数随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值，从而获得信号幅值的时间-频率联合分布一希尔伯特谱，进一步可获得HHT时频亮度谱图和希尔伯特边际谱，边际谱是对信号中各个频率成分的幅值(或能量)的整体测度，它表示了信号在概率意义上的累积幅值，反映了信号的幅值在整个频率段上随频率的变化情况。
[0008]上述的希尔伯特谱、HHT时频亮度谱图及HHT边际谱图是将振荡腔体外周信号采集孔和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔采集到的压力脉动信号通过MATLAB程序语言进行HHT时频分析处理获得的。
[0009]本发明的上述技术方案的有益效果如下:
[0010]本发明操作简便，无需传统的靶距打击实验，成本低，工作效率高；通过设置信号采集孔安装传感器拾取振荡信号的方式，采用HHT时频分析方法对振荡信号中各频率组成成分进行提取，对比分析振荡腔内压力脉动信号的频率和幅度，实现振荡信号的检测分析功能，该功能也为将来的产业化质量控制提供了测试手段，为自激振荡射流的研究奠定了基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明的系统结构示意图；
[0012]图2为振荡腔体外周信号采集孔的分布设计图；
[0013]图3为振荡腔碰撞面下端信号采集孔的分布设计图；
[0014]图4为采用本发明的信号检测分析方法获得的HHT时频亮度谱图和边际谱图。
[0015][主要元件符号说明]
[0016]I一水箱；[0017]2—过滤器；
[0018]3—7K 泵；
[0019]4 一单向阀；
[0020]5—流量计；
[0021]6—安全截止阀；
[0022]7—蓄能器；
[0023]8—压力表；
[0024]9一喷嘴装置；
[0025]10—振荡腔体外周信号采集孔；
[0026]11一振荡腔体碰撞面下端信号采集孔；
[0027]12—喷嘴装置入水口 ；
[0028]13—喷嘴装置出水口 ；
[0029]14一多功能数据采集系统；
[0030]15—计算机。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0032]本发明提供一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置与方法。
[0033]如图1所示，一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置，包括水箱1、过滤器2、水泵3、单向阀4、流量计5、安全截止阀6、蓄能器7、压力表8、喷嘴装置9、振荡腔体外周信号采集孔10、振荡腔体碰撞面下端信号采集孔11、喷嘴装置入水口 12、喷嘴装置出水口 13、多功能数据采集系统14和计算机15 ;其中水箱1、过滤器2、水泵3、单向阀4和流量计5依次相连，在流量计5和压力表8之间设置安全截止阀6和蓄能器7，喷嘴装置9上布置振荡腔体外周信号采集孔10、振荡腔体碰撞面下端信号采集孔11、喷嘴装置入水口 12和喷嘴装置出水口 13，振荡腔体外周信号采集孔10和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔11通过多功能数据采集系统14与计算机15相连。
[0034]如图2所示，(b)为(a)中A-A剖面图，在振荡腔体外周按照不同相位和高度设置有振荡腔体外周信号采集孔10，以避免采集孔在空间位置上的干涉，并可保证采集到腔内不同位置的振荡信息，在振荡腔碰撞面设置有振荡腔体碰撞面下端信号采集孔11，保证采集到碰撞面处的水压脉动信息，以便研究腔内非定常流动特性及脉冲射流的形成机理。
[0035]如图2和图3所示，振荡腔体外周信号采集孔10和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔11采用变径设计，为避免在有限的体积内的空间干涉，在攻出与传感器连接的螺纹安装孔之后，采用在安装孔基础上钻小孔的方式检测水压。
[0036]如图1所示的装置结构，其检测方法为:由水泵3提供的高压水通过系统管路接入喷嘴装置9，流量计5用来计量系统中的工作水的流量，蓄能器7用来吸收泵的脉动，减少传感器采集到的信号中的干扰信息，高动态微型压力传感器分别通过螺纹连接拧入振荡腔体外周信号采集孔10和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔11，采集振荡信息，通过多功能数据采集系统14将传感器拾取到的信息传输到多功能数据采集系统14数采前端，通过多功能数据采集系统14设定合适的采样频率将传感器拾取到的信息进行处理分析，并将数据导出送入计算机15，通过HHT时频分析方法对原始数据进行预处理和后处理，进而提取所需要的自激振荡信息，研究振荡射流效果。
[0037]其中，HHT时频分析方法首先通过经验模态分解(EMD)，即通过不同的尺度将振荡腔体外周信号采集孔10和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔11采集到的压力脉动信号分解成一系列本征模函数(IMF)，各IMF分量很好的提取了原信号内部频率信息，使信号得到精确的表达；然后对每一个固有模态函数进行希尔伯特变换，求出每个固有模态函数随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值，从而获得信号幅值的时间-频率联合分布一希尔伯特谱，进一步可获得HHT时频亮度谱图和希尔伯特边际谱，边际谱是对信号中各个频率成分的幅值的整体测度，它表示了信号在概率意义上的累积幅值，反映了信号的幅值在整个频率段上随频率的变化情况。
[0038]上述的希尔伯特谱、HHT时频亮度谱图及HHT边际谱图是将振荡腔体外周信号采集孔10和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔11采集到的压力脉动信号通过MATLAB程序语言进行HHT时频分析处理获得的。
[0039]如图4所示，从用该方法获得的的HHT时频亮度谱图和边际谱图中可以看出:(a)中HHT时频亮度谱图中有三条谱线，大约是40?60Hz，110?150Hz，250?310Hz。(b)中所示的边际谱中反映的信息比较清晰，存在三段频带成分，与亮度谱图中的信息一致。
[0040]而实际试验中使用三柱塞水泵，工作转速在2500?3000R/m，图4中振幅最大的频带在40?60Hz与电机的工作频率吻合；频带105?140Hz与水泵单柱塞的运动频率一致；根据自激喷嘴频率公式计算，该自激喷嘴激振频率应在200?600Hz之间，经过分析提取的频谱中，在250?310Hz之间的频带，推断应为自激喷嘴的振荡频率。从图4中可以看出，各频段频率随时间变化，但变化是以各自中心频率为主,上下波动。泵和电机由于系统中转速和流量的波动等因素而绕中心频率上下波动，自激振荡频率波动是由于自激频率由喷嘴的结构参数和运行参数共同决定，在射流过程中流体压力的脉动，空隙度和气液混合密度的变化导致的波速的变化对系统的频率特性影响很大。通过改变不同工况，可进一步分析不同结构参数、来流参数等对自激振荡的影响，研究自激振荡射流机理，获得最佳自激振荡射流效果。
[0041]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置，其特征在于:该装置包括水箱(I)、过滤器(2)、水泵(3)、单向阀(4)、流量计(5)、安全截止阀(6)、蓄能器(7)、压力表(8)、喷嘴装置(9)、振荡腔体外周信号采集孔(10)、振荡腔体碰撞面下端信号采集孔(11)、喷嘴装置入水口(12)、喷嘴装置出水口(13)、多功能数据采集系统(14)和计算机(15);其中水箱(I)、过滤器(2)、水泵(3)、单向阀(4)和流量计(5)依次相连，在流量计(5)和压力表(8)之间设置安全截止阀(6)和蓄能器(7)，喷嘴装置(9)上布置振荡腔体外周信号采集孔(10)、振荡腔体碰撞面下端信号采集孔(11)、喷嘴装置入水口(12)和喷嘴装置出水口(13)，振荡腔体外周信号采集孔(10)和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔(11)通过多功能数据采集系统(14)与计算机(15)相连。
2.根据权利要求1所述的一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置，其特征在于:在振荡腔体外周按照不同相位和高度设置有振荡腔体外周信号采集孔(10)，在振荡腔碰撞面设置有振荡腔体碰撞面下端信号采集孔(11)。
3.根据权利要求1所述的一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置，其特征在于:振荡腔体外周信号采集孔(10)和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔(11)采用变径设计，即在传感器安装孔的基础上钻小孔。
4.根据权利要求1所述的一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测装置所用检测方法，其特征在于:由水泵(3)提供的高压水通过系统管路接入喷嘴装置(9)，流量计(5)用来计量系统中的工作水的流量，蓄能器(7)用来吸收泵的脉动，减少传感器采集到的信号中的干扰信息，高动态微型压力传感器分别通过螺纹连接拧入振荡腔体外周信号采集孔(10)和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔(11)，采集振荡信息，通过多功能数据采集系统(14)将传感器拾取到的信息传输到多功能数据采集系统(14)数采前端，通过多功能数据采集系统(14)设定合适的采样频率将传感器拾取到的信息进行处理分析，并将数据导出送入计算机(15)，通过HHT时频分析方法对原始数据进行预处理和后处理，进而提取所需要的自激振荡信息，研究振荡射流效果。
5.根据权利要求4所述的一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测方法，其特征在于:所述的HHT时频分析方法首先通过经验模态分解(EMD)，即通过不同的尺度将振荡腔体外周信号采集孔(10)和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔(11)采集到的压力脉动信号分解成一系列本征模函数(IMF)，然后对每一个固有模态函数进行希尔伯特变换，求出每个固有模态函数随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值，从而获得信号幅值的时间-频率联合分布一希尔伯特谱，进一步可获得HHT时频亮度谱图和希尔伯特边际谱。
6.根据权利要求4所述的一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测方法，其特征在于:所述的HHT时频分析方法是将振荡腔体外周信号采集孔(10)和振荡腔体碰撞面下端信号采集孔(11)采集到的压力脉动信号通过MATLAB程序语言进行HHT时频分析处理获得希尔伯特谱、HHT时频亮度谱图及HHT边际谱图。
7.根据权利要求4所述的一种高压水射流自激喷嘴腔内振荡信号检测方法，其特征在于:根据实验采集振荡信号的性质，传感器选用动态频率响应较高的高频响动态压力传感器。
【文档编号】G01M10/00GK103983421SQ201410208729
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】马飞, 马琳, 汪晖, 柳靖, 赵静 申请人:北京科技大学