壅塞空化噪声信号分形特性的研究

摘要

壅塞空化是将水的空化现象和气液两相流的壅塞现象相结合而发展起来的一门新技术，在污水处理、工业清洗等领域具有潜在的广阔用途。　　介绍了空化理论和分形理论的基础知识，搭建了壅塞空化噪声信号测试平台，通过水听器完成了不同流量、不同背压条件下壅塞空化噪声信号的采集。通过Welch法、分形盒维数法和多重分形谱法对壅塞空化噪声信号进行了功率谱密度估计、单重分形特性和多重分形特性研究。　　功率谱密度估计分析结果表明：壅塞空化噪声信号能量幅值主要集中在高频段，且存在一个最佳背压范围。　　单重分形特性研究结果表明：壅塞空化噪声时域信号的分形盒维数D≤1.71时，空化强度高；1.71＜D＜1.74时，空化强度较高；D≥1.74时，空化强度低。空化强度高时的最佳背压范围为120-190kPa。　　多重分形特性研究结果表明：壅塞空化噪声时域信号的多重分形谱宽Δα≤0.1时，空化强度高；0.1＜Δα＜0.15时，空化强度较高；Δα≥0.15时，空化强度低。壅塞空化噪声频域信号的多重分形谱宽Δα≤0.2时，空化强度高；0.2＜Δα＜0.4时，空化强度较高；Δα≥0.4时，空化强度低。空化强度高时的最佳背压范围分别为130-170kPa和110-170kPa。　　将分形理论应用于壅塞空化噪声信号的单重分形和多重分形特性研究中，提取了分形盒维数、多重分形谱谱宽作为评价壅塞空化状态的特征指标。空化强度高时，壅塞空化噪声信号中空化信号占主导地位，表现出规律性强、相关性好和波动平稳等特征，所以分形盒维数和多重分形谱谱宽的数值小。相反，空化强度低时，壅塞空化噪声信号中非空化信号占了主导地位，表现出规律性弱、相关性差和波动剧烈等特征，所以分形盒维数和多重分形谱谱宽的数值大。分形盒维数、多重分形谱谱宽可以定量地给出空化状态信息，为判别空化状态提出了一种新的有效方法。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和目的

1.2 国内外研究现状

1.3 分形理论的发展与应用概述

1.4 论文主要内容及结构安排

第二章 分形基础理论

2.1 分形的概念及基本特性

2.2 分形的基本性质

2.3 常用分形维数定义与计算

2.4 多重分形的定义

第三章 空化理论与空化噪声采集

3.1 空化理论

3.2 水力空化常见的形式

3.3 壅塞空化现象

3.4 实验装置

3.5 壅塞空化噪声测试结果分析

第四章 壅塞空化噪声信号的单重分形特性研究

4.1 分形盒维数算法流程图

4.2 分形盒维数具体算法步骤

4.3 分形盒维数程序的验证

4.4 壅塞空化噪声信号的单重分形特性分析

4.5 本章小结

第五章 壅塞空化噪声信号的多重分形特性研究

5.1 多重分形谱的程序设计流程图

5.2 多重分形谱的具体算法步骤

5.3 加权因子q值的讨论

5.4 多重分形谱模型的检验

5.5 壅塞空化噪声信号的多重分形特性分析

5.6 单重分形结果同多重分形结果的比较

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 研究工作展望

参考文献

攻读硕士期间研究成果

致谢