基于时频分析的自激吸气脉冲射流喷嘴结构参数对压力脉动的影响

高传昌，唐林钧，胡亚州，曾新乐，黄 丹

(1.华北水利水电大学，郑州 450045；2.云南电力试验研究院(集团)有限公司，昆明 650000)

水库在防洪抗旱、发电等方面的作用日益突出，也是合理调配水资源的重要保障，为保证水库的正常运作以及库容量有增无减，国内每年花费大量的资金用于修建新的大坝以维持总的库容量[1]。研究者也不断尝试应用新的技术对水库清淤，通过采用水下射流技术等方法对河道及水库进行清淤，确保了总的库容量水平[2]。自激脉冲射流装置参数与冲击性能紧密相关，许多学者进行了相关装置参数的研究。葛兆龙等[3]通过应用大涡模拟进行试验，并在PIV的基础上建立了自激振荡喷嘴设计准则；李玮等[4]对喷嘴结构进行了对比分析，根据射流的特性，得到了合理的喷嘴参数配比；刘新阳等[5]利用射流装置，对比吸气与不吸气2种状态下的冲击特性；裴江红等[6]建立自激振荡装置模型，分析了脉动压力的频率变化规律；韩健等[7]运用黄变换(HHT)这一新的检测方法，对喷嘴振荡腔内的压力脉动信号进行分析；徐平平等[8]通过采集的实测压力信号，分别运用小波分析和HHT对信号进行处理，比较2者在时频分析中的适用性。

有关自激脉冲射流喷嘴结构参数和运行参数的研究较多，但很少涉及到运用时频分析来研究结构参数对自激脉冲射流压力脉动的影响。本文以试验为基础，对采集的脉动压力信号进行去噪，通过比较不同结构参数下压力脉动的时频特性，得出了喷嘴结构参数对压力脉动影响程度的大小，为优化自激脉冲射流装置结构提供理论依据。

1 试验装置与试验内容

1.1 试验装置

试验装置系统由5部分组成：自激脉冲射流喷嘴、压力容器罐、动力系统、循环水池、采集系统。图1为自激吸气脉冲射流喷嘴以及压力测试点位置分布图，通过测量各点的压力脉动特性来研究喷嘴的时频特性。

图1 自激吸气脉冲射流喷嘴及压力测试位置Fig.1 Self excitation pulse jet nozzle and pressure test position

1.2 试验内容

自激吸气脉冲射流喷嘴结构参数主要包括上喷嘴直径d1

为10 mm、下喷嘴直径d2为16、18、20、22 mm、腔体的腔径Dc为85、120 mm和腔长Lc为45、55、70、85、95 mm以及碰撞体扩散角为120°。本次试验是在碰撞体形状和上喷嘴直径不变的情况下，进行其他不同喷嘴结构参数下的自激吸气脉冲射流压力脉动特征的试验，运用时频特性分析方法，研究工作压力为2.0 MPa，围压为0.1 MPa，靶距为100 mm下的喷嘴结构参数对腔体内压力脉动和冲击压力脉动的影响。

2 压力脉动信号分析方法

傅里叶分析是频域分析的基本工具，在频域里更清晰地显示出实际信号的规律，但丢失了信号的时域特性。而提升小波分析拥有更广的适用性，不依赖于傅里叶变换。可将第2代小波对信号进行去噪，实现信号的无损压缩，结合Savitzky-Golay平滑滤波保留信号的真实性；并在Wigner-Ville的基础上加上短时窗函数，同时对频域、时域进行平滑，降低交叉项的影响，运用平滑伪Wigner-Ville时频分布呈现信号的时频分布，满足本文压力脉动信号的时频分析[9]。

3 试验结果与分析

3.1 下喷嘴直径对射流压力脉动的时频分析

3.1.1 腔体内压力脉动的时频特性分析

图2是在腔体的腔径和腔长不变时，对不同下喷嘴直径对腔体上游(N1)处和下喷嘴出口(N4)处的压力脉动时域图和频域图。由图2(a)和图2(b)的时域分布图可知，腔体上游处和 下喷嘴出口处的压力脉动周期随下喷嘴直径的增大而逐渐减小，而腔体上游处的压力脉动的时域分布较下喷嘴出口处的周期大，分布更加规则，特别是d2=16 mm时，压力脉动周期性更强，腔体上游处的压力脉动均为负值，下喷嘴出口处的压力脉动均为正值，由于腔体上游在上喷嘴出口处附近，上喷嘴工作流体卷吸了腔体上游处的部分流体后使之成为负压脉动区。由图2(c)和图2(d)的频域图可以看出，下喷嘴直径d2=16 mm时，腔体上游处和下喷嘴出口处的主频明显，压力脉动幅值最大，其他3个下喷嘴直径下的压力变动幅度急剧下降，下喷嘴出口处的压力幅值大于腔体上游的脉动幅值，同时在腔体上游处主频中含有多个谐频成分，说明腔体上游处内部压力脉动比较紊乱，能量耗散较大，在下喷嘴出口处压力脉动主频比较明显，谐频成分较少，说明腔体上游的压力脉动经腔体、碰撞体和下喷嘴调制后，压力脉动相对稳定。

图2 不同下喷嘴直径对压力脉动影响的时域图和频域图Fig.2 The time domain and frequency domain of the effect of different nozzle diameters on pressure pulsation

图3和图4是分别运用平滑伪Wigner-Ville时频分布分析不同下喷嘴直径分别对腔体上游处和下喷嘴出口处压力脉动影响的时频图。限于篇幅，且当下喷嘴直径为20 mm以及22 mm时的频带紊乱，本文只给出了下喷嘴直径为16和18 mm的时频图。从图3中可以看出，当d2=16 mm时，腔体上游处的脉动频带随时间分布较均匀，说明压力脉动比较稳定，18 mm次之。由图4可知，当下喷嘴直径d2=16 mm时，频带随时间虽有断裂，但没有跳跃，当d2=18 mm时，频带出现突然跳跃，压力脉动稳定性差。

图3 不同下喷嘴直径对腔体上游(N1)处压力脉动影响时频图Fig.3 The effect of different nozzle diameter on the pressure fluctuation at the upstream (N1) of the chamber

图4 不同下喷嘴直径对下喷嘴出口处压力脉动影响时频图Fig.4 The effect of different nozzle diameters on the pressure pulsation at the lower nozzle outlet

3.1.2 靶心射流冲击压力脉动的时频特性分析

图5为不同下喷嘴直径对靶心(N0)处压力脉动信号影响时频图。由图5(a)可知，靶心能量、频率以及冲击力随着下喷嘴直径的增大而逐渐减少，而频率在减少时有一段平缓的过渡过程，这是由于腔体内部的液气涡环振荡的影响以及下喷嘴直径增大时，喷嘴射流更容易扩散，冲击能量有所减少；由图5(b)知，不同喷嘴直径下的振荡幅值变化很小，频带带宽主要集中在4～8 Hz，变化趋势大致相同；由图5(c)、(d)知，当下喷嘴直径d2=16 mm和d2=18 mm时，压力脉动频带随时间成带状分布，振荡频率成分比较稳定。

综上所述，当下喷嘴直径d2=16 mm时，时域以及时频分布较为规则，振荡较为稳定。为了更好地分析各结构对压力脉动信号的影响，找出较优结构参数，以下研究在上喷嘴直径d1=10 mm和下喷嘴直径d2=16 mm的基础上进一步对腔径、腔长进行压力脉动信号的分析。

3.2 腔径对射流脉动压力的时频分析

3.2.1 腔体内压力脉动的时频特性分析

图6为不同腔径对腔体下游压力脉动影响，对碰撞体(N3)处的脉动影响与腔体下游处基本类似，文中不再赘述。由图6(a)可知，当腔径为85 mm时，喷嘴腔体内振荡幅值明显高于一般性结构的喷嘴，压力脉动振荡更稳定；由图6(b)可知，不同腔径的最大幅值基本相同，但腔径为85 mm时的幅值更加集中，高幅值范围较宽。当腔径为85 mm时，振荡幅值高于腔径为120 mm的幅值，选择85 mm的腔径可以有效提高腔内的压力脉动幅值。

图5 不同下喷嘴直径对靶心(N0)处压力脉动影响图Fig.5 Influence of different nozzle diameter on pressure pulsation at the bull's eye (N0)

图6 不同腔径对压力脉动影响的信号图Fig.6 The signal map of the effect of different cavity diameter on pressure pulsation

3.2.2 靶心射流冲击压力脉动时频特性分析

图7为不同腔径对靶心处射流冲击压力脉动影响图。从图7中可以看出，不同腔径对喷嘴射流压力脉动频率大小及幅值影响都较小，存在合适的腔径大小与其他结构参数配比，使得射流压力脉动出现较低频的高能量脉冲。其中，在腔径85 mm时出现高能量低频脉冲。

综上所述，当腔径为85 mm时，在靶心处压力脉动信号图的分布规律与腔径120 mm时大致相同，这是由于射流在下喷嘴出口处发生扩散，对靶心冲击能量有所减少，区别不大。而在腔体下游以及碰撞体处时，腔径为85 mm的振荡幅值更大，压力脉动更加稳定。为了更好地研究腔长对压力脉动信号的影响，选取10-16-85-Lc的自激吸气脉冲射流喷嘴结构，分析腔长对压力脉动信号的影响。

图7 不同腔径对靶心(N0)处压力脉动信号影响的时域图和频域图Fig.7 The time domain and frequency domain maps of the effects of different cavities on the pressure pulsation signal at the bull's-eye (N0)

3.3 腔长对射流脉动压力的时频分析

3.3.1 腔体内压力脉动的时频特性分析

图8为不同腔长对碰撞体压力脉动影响图。下喷嘴处(N4)压力脉动时频特性与碰撞体处(N3)趋势类似，文中不再给出。从图8可以看出，随着喷嘴腔长的增大，腔体内压力脉动振荡规律变得有些紊乱，振荡频率变大，腔体内压力峰值持续时间随着腔长的增大而增大，在腔长45 mm时，振荡幅值较小，且振荡频率成分较多，低频振荡中夹杂多种谐频振荡。当腔长为55 mm时，幅值有了较大的提高，压力脉动时域图更有规律性。碰撞体(N3)频率一般都小于2 Hz，并出现0.6 Hz左右高幅值低频压力脉动。

图8 不同腔长对压力脉动影响图Fig.8 Effects of different cavities on pressure fluctuation

图9 不同腔长对靶心(N0)处射流冲击压力脉动影响图Fig.9 Influence of different cavity length on jet pressure fluctuation at the target (N0)

3.3.2 腔长对靶心射流冲击压力脉动的时频特性分析

图9为不同腔长对靶心(N0)处射流压力脉动影响图。从图9中可以看出，不同腔长之间射流的振荡频率差别较大，振荡幅值总体变化较小，其中在腔长55 mm时振荡幅值最大。振荡幅值随着腔长的增加而变大，频率相对较低。腔体内压力脉动是一个聚能、释能的过程，较长的腔长喷嘴吸气后液气混合流充满腔体内部的聚能时间较长，不能有效激励分离区新涡量脉动的产生，腔长过长容易出现了腔体内压力振荡不稳定的状况。

4 结 论

通过时频分析方法来分析结构参数对压力脉动的影响，系统地研究了不同的下喷嘴直径、腔径以及腔长等不同结构参数对腔体内以及靶心处压力脉动的影响，研究结构参数对自激吸气射流的影响机理更加直观，得出了自激吸气脉冲射流喷嘴最优结构参数为：当上喷嘴直径为10 mm，下喷嘴直径为16 mm，腔径为85 mm，腔长为55 mm，与参考文献[10]应用统计学方法研究结果一致。本文经分析主要有以下几点结论。

(1)下喷嘴直径大小对腔体内部压力脉动及射流压力脉动频率的变化影响较小，对腔体内的压力脉动幅值影响较大，当下喷嘴直径为16 mm时脉动振荡更加稳定，可以保证射流的稳定性。

(2)单因素腔径大小对腔体内压力脉动及射流压力脉动时频特性影响较小。当腔径为85 mm时频率更加集中，确保射流有较高的持续性。

(3)腔长过大时会导致反馈扰动频率成分过多，腔长过短时不能形成稳定的剪切层，脉动压力振荡不稳定。当腔长为55 mm时，出现低频高幅值的范围更大，进一步提高了射流的冲击力。

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