水射流空化噪声的测试与混沌辨识的研究

摘要

空化是一种普遍存在而又异常复杂的流体动力学现象。利用空化释放的巨大能量可以为物理、化学过程提供一种在一般条件下难以实现的特殊环境。　　淹没空化水射流技术应用于水处理领域时，具有结构简单，空化效果好，能量转换率高等特点，特别适用于处理达到工业应用量级规模的水量。而且作为一种纯物理过程，在水处理过程中不会带来任何化学副产品。因此，水射流空化将是一项很有潜力的高效、节能的水处理技术。　　水射流空化的关键技术在于空化喷嘴。空化喷嘴的不同结构形式及其主要特征尺寸极大的影响了水射流的空化效果。空化效果的判定则是设计空化喷嘴结构的重要依据。通常空化效果的判定可以通过对空蚀的测定来实现，其中又主要是通过失质法实验测定。　　本文则通过实验采集水射流空化噪声信号的时间序列，以混沌动力学的理论为基础，研究空化喷嘴的不同结构形式及靶距与其空化噪声信号的时间序列的最大Lyapunov指数值的关系，试图建立喷嘴的空化特性与空化噪声信号的混沌特性的关联。　　本文主要做了如下工作：介绍了射流理论、空化理论、喷嘴理论以及混沌理论的基础知识；收集了依据Takens定理进行相空间重构的重构参数的确立算法，以及时间序列信号的最大Lyapunov指数值的计算算法；建立了实验研究所需的淹没空化水射流生成系统和空化噪声信号测试系统；在相同实验条件下，使用水听器法分别采集不同结构的空化喷嘴在不同靶距位置上产生的空化噪声信号的时间序列；根据混沌理论对采集的空化噪声信号的时间序列进行计算和分析，并得出了一些实验结论。　　研究结果表明：如果靶距合适，靶盘位置采集的空化噪声强度将大于喷嘴出口位置的空化噪声强度；实验选取的几组空化噪声信号的时间序列的最大Lyapunov指数值λ均大于零，因此选取的这几组信号都是混沌信号；空化噪声信号与混响也有着较明显的区别；不同的喷嘴结构其最大Lyapunov指数值也不同，它们对初始条件的依赖程度也不同，在本实验中喷嘴Ⅰ的空化噪声信号的Lyapunov指数值λ最大；空化噪声信号的Lyapunov指数曲线表现出一定的振荡行为，若以其均值作为最大Lyapunov指数值的估计，在表征空化喷嘴的空化特性时，相对于传统谱分析方法具有一定的稳定性；存在一个最佳靶距使得靶盘上的空化噪声信号的最大Lyapunov指数值最大，本实验条件下空化喷嘴Ⅰ的最佳靶距约为35mm，空化喷嘴Ⅱ的最佳靶距也在35mm附近，空化喷嘴Ⅲ的最佳靶距小于35mm。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 研究现状

1.3 研究内容与意义

第二章 基本理论

2.1 射流理论

2.1.1 射流的分类与结构

2.1.2 射流与空化

2.2 空化理论

2.2.1 空化数

2.2.2 空化阶段

2.2.3 空化噪声

2.3 喷嘴理论

2.3.1 喷嘴形式

2.3.2 喷嘴的主要参数

2.3.3 空化喷嘴的结构与性能

2.4 混沌理论

2.4.1 基本概念及混沌特性

2.4.2 相空间重构

2.4.3 Lyapunov指数

第三章 实验与数据分析

3.1 实验原理

3.2 实验系统

3.2.1 水力空化生成系统

3.2.2 信号采集系统

3.2.3 主要实验设备参数以及实验条件

3.3 实验结果分析

3.4 实验小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

附录：部分主要源代码