1、Aug.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年8 月No.8Vol.40第40 卷第8 期机计设械多相旋流冲击振动动力学建模与突变分析方法*史纪林，李霖，谭大鹏2（1.临沂市公路事业发展中心营南县中心，山东临沂276000;2.浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州310014)摘要：多相旋流在航空流控系统、化工匀浆搅拌、连铸过程浇注和核电冷却堆分离等工程领域广泛产生，其形成演变中多相耦合冲击振动动力学特性是具有高度非线性特征的复杂动力学问题。针对上述问题，文中提出了一种基于流固耦合的动力学模型和位移响应求解方法研究多相旋流冲击振动动力学行为。基于振动检测法原理，设计了多通
2、道传感的旋流冲击振动观测平台，采用信号处理算法对流体冲击振动信号进行特征提取以判断旋流临界过渡状态，并提出一种基于小波的旋流非线性冲击振动突变识别方法。研究发现：旋流贯穿后高频段的振动幅值增大，小波变换dw4突变、高频能量结构的随机性脉冲分量和非线性阶跃等多重特征信息融合可用于多相流体耦合过渡状态的在线检测。关键词：多相旋流；冲击振动；流固耦合；冲击振动；信号处理中图分类号：TB123文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 354(2 0 2 3)0 8-0 0 9 5-10Dynamic modeling and distortion analysis of shock vibration
3、characterized by multi-phase vortexSHI Jilin,LI Lin?,TAN Dapeng?2(1.Linyi City Highway Business Development Center-Junan County Center,Linyi 276000;2.College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014)Abstract:Multi-phase vortex is widely used in the engineering fiel
4、ds such as aviation flow control system,chemical homoge-nate stirring,continuous casting process and separation of nuclear-power cooling reactor.The dynamic characteristics of multi-phase coupling shock vibration during the evolving process are categorized into the complex dynamic problems with high
5、ly non-lin-ear features.In this article,the fluid-solid coupling dynamic model and the displacement-response solution method are applied toexplore the shock-vibration dynamic behaviors characterized by multi-phase vortex.The multi-channel sensing experimental plat-form is set up for shock vibration
6、characterized by multi-phase vortex is set up based on the principle of vibration detection.Thesignal-processing algorithm is used for feature extraction of shock-vibration signals,so as to determine the vortexs critical transi-tion state,and the wavelet-based non-linear shock-vibration distortion r
7、ecognition method is proposed.The results show that thevibration amplitude in high frequency band increases after the vortex penetration;dwy distortion of wavelet transform,randompulse component of high-frequency energy structure and non-linear step can be used for online detection of the multi-phas
8、e fluidcouplingin the transition state.Key words:multi-phase vortex;shock vibration;fluid-solid coupling;shock vibration;signal processing随着化石燃料的逐渐耗竭，世界各国都非常重视提高资源利用率和实现高效率的工业生产。多相旋流是工业生产过程中一种常见的动态耦合流动状态，在航空流控系统、化工匀浆过程萃取和连续浇注过程等重要工程应用中广泛产生1-3。】。旋流形成过程中易卷吸表层流体介质和固体颗粒物，其较强的气液抽吸耦收稿日期：2 0 2 3-0 5-12；修订日
9、期：2 0 2 3-0 7-2 6基金项目：浙江省自然科学基金项目（LQ23E050017）；浙江省博士后科研项目择优资助项目（ZJ2022068）96计机设械第40 卷第8 期合作用引起非线性冲击振动，给工业生产过程造成诸多不利影响，如降低产品纯度和质量、诱发空化空蚀和影响水利设备寿命等4-6 。因此，研究多相旋流形成过程的冲击振动特性，揭示其临界状态的过渡机理，可为极端工况条件下的旋流状态检测提供理论参考和技术支持，具有重要的科研价值和工程应用前景多相旋流虽然是一种常见的自然现象，但却是一个复杂的多相和多场耦合动力学问题7 。实际的工程应用场景中，旋流抽吸表层流体给工业生产造成诸多不利影响
10、，难以通过视频信号检测流道内部的流动状态，使得旋流形成过程与冲击振动特性之间的作用机制尚未揭示。因此，研究多相旋流形成过程的冲击振动演变特性具有重要的工程意义。针对上述关键问题，国内外学者进行了大量的研究工作。Park等8 研究了Taylor旋流和Ekman旋流的相互作用,证明了Ekman吸力对气液两相旋流涡核的影响。Son等9 通过数值模拟研究了两相旋流的演化过程，跟踪了泰勒涡核内螺旋波的流动形态。Takacs等10 对两相旋流振动信号进行了时域分析，在试验数据中发现了一些振动成分。Naderi等 对旋流结构进行了研究，发现旋流的分解和聚集是不稳定的旋流涡核造成的。Zhang等12 采用小波
11、算法对非平稳振动数据进行分析，得到了两相旋流卷吸杂质诱导的异常能量谱分布。Li等13 探索了流致振动形成过程，得到了旋流冲击振动信号的高频成分。从上述文献可以推断，当前对旋流研究主要集中在两相动态建模、涡核演变和振动产生等方面。针对旋流抽吸演化过程的非线性冲击振动特性研究尚不明确。旋流形成过程的复杂性无疑增加了旋流冲击振动特性的检测与分析难度。因此,提出一种基于流固耦合的旋流冲击振动建模与振动动力学特性分析方法，得到旋流冲击振动动力学规律是非常有必要的。1数学模型和求解方法1.1数学模型多相旋流是有限物理空间非定常旋转多相流。水平集和流体体积耦合模型具有较小的界面曲率误差和质量守恒的优点，常被
12、用于跟踪具有多层界面的多相流模拟14-15。模型描述如下：在模型中,水平集模函数定义为（x，t）,表示到界面的特征距离。该值在上层流体为负，在界面处为零，在下层流体处为正。“下流体”和“上流体”是指相邻层的流体,如水-油和油-空气,则对流输运方程定义为：V7)5=0+（dt(1)dV）=0at式中：V.混合流体的平均速度矢量；流体相的体积分数；t-一时间。函数（x，t)在界面不能保持平滑分布,可用垂直于界面的梯度计算法向量n和平均曲率k计算：n=0(2)K=现有的多相流计算中,界面附近的混合密度p，和黏度依赖于水平集函数16-17 。在界面过渡过程中，利用平滑Heaviside函数可以对混合密
13、度和黏度等流体物理参数进行平滑处理(pm()=p.1-H()+p,H()(3）(m()=,1-H()+,H()式中：p,上层流体密度；-上层流体黏度；Pj下层流体密度；山一下层流体黏度。指定平滑的Heaviside函数：1()H()1+(1/)(4)sin2T-8)式中：8界面模拟厚度，8=1.5a；a网格空间尺寸。模型中的液相和气相被视为不可压缩的牛顿流体1.2固体耦合模型固体耦合模型为薄壁圆柱壳。在单点谐波力的作用下，其振动必须沿轴向、径向和周向同时从力点传播到表面18-19 。文中采用Fligge壳层理论建立了有限元流固耦合动力学模型。采用波传播方法求解壳体位移函数。考虑振动波沿壳体轴向
14、的传播，具有轴向波数的Fligge方程的位移解为：Ps声压场的振幅；位移，可以产生无穷多个自由振荡波的波动特征与方程解相匹配。通过求解式（9）的轴向方程det|Nl。留数定理的奇异点和耦合系统中众多采用留数定理计算方程式（9）的积分，得到色散972023年8 月史纪林，等多旋流冲振动动学建模与突变分析方法88Umscos mdexp(iat-ikmsx)m=0s=1880Vmssin mdexp(iot-ikmsx)(5)m=0s=18080Ws.cosmdexp(iot-ikmsx)m=05=1式中:Ums,Vms,W壳体分量在柱坐标（x，0,r）3个方向上ms的位移幅值；u,Us,w,轴向
15、、周向、径向位移；m周向模态数；圆频率；kms轴向波数；下标s频散方程中轴向波数解的序号2 0-2 2 假设流体是无黏性的理想不可压缩介质，其运动具有各向异性和无旋转特征，得到流场的波动方程为：p211Ps1P0(6)?ar7ar2002at2式中：C一声场的波速；圆柱壳切面的径向方向。文中采用变量分离法求解声压场的亥姆霍兹方程。考虑辐射与壳体边界耦合条件，满足波动方程的声压场为：8080PP,=scosmoYm(k,r)exp(iot-ikmsx)(7)式中：-径向波数，（k）=hg-km；ko一-流体自由波数,ko=0/Cr;Ym九阶贝塞尔函数；P声压场振幅。ms由于随机激励而表现出非线性
16、特征，可以采用轴向余弦分布谐波载荷来分析随机激励：入p(x,0,t)=F,cos mop(x)expiwt(8)R式中：F单位周长上的力；P(x)一单位脉冲函数；入一一牛特征方程根；R一圆柱壳的内径。局部傅里叶变换方法可以解决随机激励下的强迫振动问题，则位移公式推导如下：F入u,(x,入)d入Xp2Tp,hRo2JR82F,入U(x,入)d(9)exp2p,hRa2JXR80F8入w,(x,入)exp2p.hRa2JR式中：h圆柱壳厚度；Sij位移矩阵的因子（i=1,2,3,j=1,2,3,）；无量纲频率。2流固耦合数值模型2.1旋涡数值模型为了实时追踪多相旋流的临界过渡状态，建立基于流固耦合
17、的多相旋流数值模型，如图1所示。文中基于ICEM网格划分软件进行模型网格划分，并对位于圆柱中心区域和排流管道的网格进行加密处理，以便准确地捕捉自由液面临界破碎时的动态耦合特征。采用较大尺度的网格对容器模型的剩余部分进行划分，网格总数为33546 0。采用六面体多块结构化网格对管壳动力学模型进行网格划分，固体域网格总数为12 8 45。从图1中的网格划分可以看出，模型网格划分较均匀，排流管道附近的网格相对较密，采用较高质量的网格保证数值计算的精度要求。参考压力人口压力点气相油相水相流场模型固体模型固定壁面固定载荷面压力出口自由载荷面固定载荷面流固耦合面图1流固耦合数值模型2.2边界条件和初始条件
18、文中观察多相旋流的形成与演化过程,其中容器的几何特征和边界条件如表1所示。容器人口处设置为零法向梯度压力入口边界条件，出口边界设置为无回流平均压力出口，将壁面条件定义为无滑移壁面边界条件。在图1的管壳振动动力学模型中，管壳上下两端口壁面为固定载荷面，排流管道内壁面与流场模型壁面进行耦合，共同组成流固耦合面，管98计设机第40 卷第8 期械壳外壁面为自由载荷面。此节选取弹性模量较小的PC塑料（弹性模量为2.410 3MPa）作为振动模型材料。表1数值模型的边界条件m参数数值气区高度0.30油区高度0.05水区高度0.20容器高度0.55容器直径0.50管道长度0.15管道直径0.022为了保证严
19、格的流体质量守恒，采用有限体积法离散控制方程。旋流形成演化过程属于典型的过渡流动计算，采用压力的隐式算子分割（PressureImplicitwith Split of Operator，PISO)算法处理压力速度耦合以保证收敛效率2 3。为了解决压力离散插值问题，防止内压急剧变化和高旋流，采用压力交错方式（PressureStaggeringOption，PREST O）。L S函数属于哈密顿-雅可比方程，空间上采用5阶加权本质无振荡（WeightedEssentiallyNon-Oscillatory，WENO）格式离散，时间上采用3阶总变差减小（TotalVariationDiminis
20、hing，TVD)龙格-库塔格式离散2 4-2 5。此外,采用2 阶迎风格式离散动量、动能和耗散率以便获得精确解3数值模拟结果3.1多相旋流形成机理当旋流处于临界贯穿时，自由界面的形态演变规律具有高度非线性特性。选取一个数值例子（=1.0rad/s，d=2 2 m m）来研究多层液面的动态演化规律。流体的体积分数剖面能较好地反映相间界面的演化规律和流场瞬态特征，如图2 所示，其中，红色区域为空气相,绿色区域为油相，蓝色区域为水相。在旋流形成前期，流体的流动模式表现为重力引起的轴向运动和初始扰动诱导的切向运动，如图2 a所示。初始切向速度增大了流动雷诺数，流强度增大，增强了流体的切向运动。在图2
21、 b和图2 c中，随着自由液面的下降，自由液面中心的液面高度明显低于两端的高度，油层底部中心形成凸点。随着油滴和水从排流管流出,旋流尺度不断增大。随着旋流的演变，流场有少量空气被排流孔抽吸并悬浮在油相，如图2 d所示。较大的抽吸力可以克服流体的黏滞阻力，打破以水相和油相混合为主要成分的自由表面中心的能量障碍。图2 e中液面中心最低位置与容器底部对齐，当油相吸入大量气泡时，流体在出口处的流动不稳定。当流场形成与出口气压相连的空气柱时，水油两相的流速基本为零，表明达到贯穿状态，如图2 f所示0.70.70.950.950.60.850.60.850.50.750.50.75三0.40.65三0.4
22、0.6510.30.550.30.550.20.450.20.450.10.350.10.350.250.25000.20.100.10.20.2 0.100.10.2x/mx/m(a)t=0.00 s(b)t=-11.60 s0.70.70.950.950.60.850.60.850.50.750.50.75=0.40.65三0.40.65N0.30.550.30.550.20.450.20.450.10.350.10.350.250.25000.20.100.1 0.20.2 0.100.10.2x/mx/m(c)(=18.10 s(d)t=43.60 s0.70.70.950.950.6
23、0.850.60.850.50.750.50.75=0.40.65三0.40.6511.0.30.550.30.550.20.450.20.450.10.350.10.350.250.25000.2 0.100.10.20.20.100.10.2x/mx/m(e)(-46.69 s(f)(=52.89 s图2多相旋流的体积分数云图为了分析多相旋流形成过程与流量之间的内在联系，得到了旋流最大切向速度随水口直径的演变规律，如图3所示。随着排流口径的增大，最高切向速度提高，但并非呈线性增大。在排流口径为2 2 26mm时，旋流最高切向速度增幅较快，但在排流口径为2 6 34mm时，旋涡最大切向速度增
24、幅较慢，旋流临界贯穿状态的速度趋势与液位曲线有一定相似性。排流口径越大，流动越快，多相流受到的离心力越大，加速了流体向壁面流动的趋势，导致自由液位992023年8 月史纪林，等多租旋流冲振动动与突变分析方法不增大。但当口径增大至一定程度时，速度分量的积累所需时间较短，且远短于流量变化减小的排流时间,则旋流速度分量的增幅明显减小。因此，通过减小流量可以控制旋流形成过程，且需要经过特定的扰动过程才能再次达到产生旋流的临界条件，从而可以有效抑制旋流形成过程，1.1001.0951.090(s/)/回41.0851.0801.0751.0701.06522242628303234水口直径/mm图3旋涡
25、的最高切向速度曲线3.2流固耦合振动产生机理为了揭示多相旋流形成过程与冲击振动特性之间的规律,对参考点的加速度特性-时域波形进行分析，如图4所示,其中横坐标为采样时间t,纵坐标为振动幅值A。从图4可以看出，在不同的排流量下，旋流所诱导的冲击振动具有相同的特征。在排流前期，振动信号的强度较弱，初始时刻的振动幅值与排流口径的大小无关。在排流口径d=30mm和d=34mm的时域波形中,4 7 s和3 5s时间序列内分别有轻微振动，但在d=22mm和d=26mm时域波形中没有明显的振动现象。上述轻微振动时间序列对应于自由汇流旋涡的形成阶段，油相是通过旋涡抽吸向排流口方向流动，在流量达到一定值时振动比较
26、明显。经过一段时间稳定后,时域波形曲线，在排流口径d=22mm时,3445s时间序列和排流口径d=26mm在2 3 31s时间序列内均会产生轻微的振动。其原因是随着旋流的演变，油相逐渐填充至排水管中,水相和油相具有强烈的耦合作用，水口排流量处于不稳定的状态，同时排水流量不断下降，共同诱发管壳体产生冲击振动。在排流后期，冲击振动信号从某一时刻开始剧烈振荡，该阶段表明多相旋流发展至抽吸阶段。此时，旋流的尺度达到最大规模，表面相液体破裂，旋流卷吸上层空气相，并与水相和油相混合共同流出排流孔。随着进气量不断增大，流体冲击振动信号的幅值增大。但当空气柱完全贯穿排流管时，其信号振幅明显减小。1020.40
27、.2(es/ul)/y0.0-0.2-0.40102030405060t/s(a)d-22 mm1020.60.4(s/ul)/0.20.00.2-0.40.6010203040t/s(b)d-26 mm1020.80.4(s/u)/V0.0-0.4-0.8051015202530t/s(c)d-=30 mm1021.20.80.4(2s/ul)/0.00.4-0.8-1.20510152025t/s(d)d=34 mm图4振动信号的仿真时域波形通过数值结果对比可知，该时刻旋流处于临界贯穿状态。根据冲击振动信号的时域波形可以推测，随着旋流多相耦合过程的演化，旋流吸取的气泡量虽有所增加，但振动信
28、号的幅值并未线性增大。相反，当气泡数量达到一定值时，多相流体的耦合会出现混沌状态，通过振动信号大量的非线性冲击成分来体现综上所述，多相旋流抽吸过程存在一系列随机冲击振动分量，且信号在临界贯穿状态具有振幅最大的瞬时突变特性。100计机设第40 卷第8 期械4多相旋流冲击振动观测平台4.1多相旋流振动观测平台搭建文中设计了多相旋流冲击振动试验平台，实现了排流管道在流体冲击条件下的振动信号检测过程，如图5所示。薄壁容器采用高透明度的有机玻璃材料组成，用于盛放试验所需的流体。容器的两侧刻有容积刻度与高度刻度，便于识别排流过程中的容积变化及液面高度变化。排流管道的材料采用透明PC材质，管口上端为标准的螺
29、纹接口，管径不同的排流管道可通过螺纹固定于圆柱形容器的底部排流口，用于考察不同排流量对流场冲击振动特性的影响。1振动传感器；2 透明圆柱形容器；3两相流体介质；4铝制试验台；5可调式节流阀；6 矩形溢流容器；7 恒流适配器；8双芯电缆；9 数据采集卡：10 PC控制系统图5多相旋流振动检测平台振动信号采集由目标位置模块、恒流适配器、振动传感器及双芯电缆组成。随着流体从底部管道流出，振动冲击波将沿管道不同的路径进行传递。选用内置集成电路的压电式加速度传感器测量流体冲击管壳的振动情况，通过螺纹连接固定在传感器底座，避免内部感性器件损坏，并将传感器底座黏结于排流管道壁面和试验台。由于压电传感器具有较
30、高的输人阻抗，双芯电缆采集到旋流冲击下的电荷信号相对较弱，故通过恒流适配器对其进行增益放大，将高阻抗的输出信号转换为低阻抗输出信号。水模试验中工业PC机发出信号控制T形搅拌器，为流场提供一定的初始扰动速度，随后停止搅拌并打开排流口，此时信号采集装置与容器的排流过程同步进行。当流体冲击管道时，振动传感器接收流体的冲击信号，通过信号线传给恒流适配器，经过放大、滤波、采样和A/D转换后传递至PC控制端，进行振动信号的实时处理、显示与存储。当流体冲击振动信号发生突变时，PC控制端发出控制信号，关闭排流管口，同时发出报警信号4.2多相旋流流场试验条件为获得精确的试验结果，需要控制影响旋流形成的客观因素。
31、客观因素的叠加效应会产生测量误差，增加试验结果的不确定度。采用透光性较好的有机玻璃作为观测容器的材料，圆柱容器参数如表2 所示表2PMMA圆柱形容器的物理特征参数PMMA（亚克力）数值密度/(kg/m)1250泊松比0.20恢复系数0.50静摩擦因数0.50动摩擦因数0.01为了消除外部扰动干扰，首先进行30 min的静置，保证流体在容器内处于完全静止状态。在恒定的初始扰动下，对容器内流体的排流过程进行观测，统计排旋流达到临界贯穿状态的时间水模试验中，采用伺服电机控制T形搅拌奖提供不同的恒定初始扰动速度，并通过可调式支架控制其升降高度，待流体达到一定的初始扰动速度后，将搅拌装置停止并缓慢移出水
32、面，观测容器内部旋流冲击振动演变过程。在试验条件下，流体黏度作为流体流动的关键参数，容易随环境温度的变化而变化。文中选择2 4作为旋流排流试验的统一条件，保证流体具有相同的黏性系数,确保试验结果的准确性。4.3水口直径对旋流冲击振动的影响针对旋流的形成过程，制订不同排流量时的试验方案，如表3所示表3不同因素下旋流的试验方案初始条件试验参数静置时间初始液面贯穿状态温度/(rad/s)/mmTo/minh/m时间T/sT/d=22300.2553.524d=26300.2536.6240=1.0d=30300.2525.824d=34300.2518.724初始扰动速度一定时，旋流到达临界贯穿状态
33、的1012023年8 月史纪林，等突变分析方法时间随流量增大而缩短。而在流量较小的情况下，随着初始扰动速度的提高，贯穿时间虽缩短，但油相与水相间的黏滞耦合作用对旋流达到完全贯穿状态造成一定的阻碍。因此，减小流量可以延长旋流达到贯穿状态的时间，并抑制旋流形成的能量积累，从而有效抑制旋流的规模和强度基于上述分析，得到不同排流口径下信号时域波形图，如图6 所示，横坐标为采样时间t，纵坐标为振动信号的振动幅值A.，采样频率为10 0 Hz。在排流后期,时域波形存在具有最大幅值的突变时间序列，该状态对应旋流贯穿管道的时间点。在排流的前期和中期，由于流动状态为单一水相，时域波形未出现明显的突变脉冲分量。图
34、6 a中时域波形在t=52.5s时出现小突变峰值，该现象与管口流体状态转变为水油混合两相有关。随后，时域波形在t=53.5s时出现明显的突变分量。在图6 b和图6 c中,时域波形出现两个较大的突变时间序列，并且前者的突变幅值均小于后者的。当耦合抽吸气泡处于不连续状态时，信号的幅值虽然增大但结构多表现为非线性脉冲分量；同时存在某一时刻气泡柱形成并引起较大冲击振动的现象，但由于流动不稳定，气泡柱在湍流能量耗散后，出现缩短并再次处于旋流临界吸气状态。当流量达到一定程度时，如图6 d所示，信号突变发生在极短的时间序列内，表明旋流多相耦合从开始至贯穿管道可以瞬态完成X1020.40.2(2s/ul)/V
35、0.0-0.2-0.4464850525456t/s(a)d-22 mmx10-20.60.40.2(s/u)/0.0-0.2-0.40.6303234363840t/s(b)d-26 mm10-20.80.4(2s/u)/V0.0-0.4-0.8202224262830t/s(c)d=30 mm1021.20.80.4(s/u)/V0.0-0.4-0.8-1.2141618202224t/s(d)d-34 mm图6振动信号的时域波形图为了研究多相旋流形成过程与冲击振动特性的内在联系,选择排流口径d=22mm时域波形的典型时间序列进行分析，如图7 所示，N为采样点数，A，为振动信号幅值。通过对
36、振动信号时域波形的典型时间序列进行分析，可以得到时域波形信号含有的简谐成分、周期成分或瞬时脉冲成分。0.0120.0080.0040.0000.004-0.0080.01202004006008001000采样点数/N(a)单一流体的信号时域波形0.060.040.020.00a-0.020.04-0.0602004006008001000采样点数/N(b）两相混合流体的信号时域波形0.4(2s/u)/V0.20.0-0.2-0.402004006008001000采样点数/N(c）多相混合流体的信号时域波形0.10(2s/u)/V0.050.00-0.05-0.100200400600800
37、1000采样点数/N(d)旋流贯穿后单一流体的信号时域波形图7时域波形的典型时间序列102计设机第40 卷第8 期械图7 a为单一流体的信号时域波形。图7 b为两相混合流体时的信号时域波形，存在一个峰值突变，且峰值处于-0.0 6 0.0 5m/s幅值区间，该现象与排流管道中油相混人水相有关。图7 c为多相混合流体的信号时域波形，振动信号的幅值随着排流过程不断增大，具有高度非线性特性。当气相完全贯穿排流管道时，振动信号具有最大值的突变脉冲分量，且峰值处于-0.4 0.4m/s幅值区间。该状态为旋流的临界贯穿状态，此时旋流具有最大规模，且抽吸效应最强。图7 d为排流过程完全贯穿后的信号时域波形，
38、与多相耦合过程的信号幅值相比，信号幅值明显减小，容器剩余流体势能主导排流过程。4.4基于小波的振动突变分析小波变换方法具有良好的多分辨率特性，适合于处理具有冲击成分的随机振动信号2 1-2 3。文中以旋流冲击振动信号为检测目标。采用离散小波变换方法揭示旋流突变振动特性。对于dw，中的低频频段，振动幅值较小，无法发现其振动特征。在不同的流量中，高频段和中频段的幅值都有明显的变化，例如，图8 d中dw的频率幅值是图8 b和图8 c中dw的频率幅值的近2 倍,是图8 a中dw的频率幅值的近5倍。由于复杂的多相耦合效应，振动信号的频带成分具有高度的非线性特性。因此，信号频率成分集中在dw（50 100
39、Hz）和dw（2 5 50 H z）两个频段，其他频段振幅不明显，A为无量纲幅值。S0.40-0.4chws103chwA0.01-0.01dws0.04MM0.040.200.2chwi0.4文0-0.4100200300400500600700 8009001000采样点数N(a)d-22 mmS0.50-0.5x103chws8W08dw0.02M-0.02chs0.200.20.40-0.4chwi0.400.4100200300400 5006007008009001000采样点数N(b)d=26 mmS0.50-0.5cs0.010-0.010.05W-0.05d0.100.10.
40、500.50.50-0.5E01002003004005006007008009001000采样点数N(c)d-30 mmS0chWs0.020.02chw0.40-0.40.5文00.5ch21.00-1.0dhw1.00-1.001002003004005006007008009001000采样点数N(d)d-34 mm图：振动信号的5阶离散Daubechies小波变换1032023年8 月史纪林，等多租旋流冲十派动建模与突变分析方法从图8 中可以看出，随着排流量的增大，旋流多相流体耦合时的能量冲击增大，振动信号各个频率段的幅值均有所增大。旋流多相耦合贯穿过程导致振动信号的整体振幅明显增大
41、，但经过小波频率分解之后，高频段具有较多的非线性脉冲分量，其突变的最大幅值在dw，的对应时间点可检测到,如图8 中的P。点所示。但根据该突变点对旋流的临界贯穿状态进行实时检测易受到流体耦合时随机性脉冲分量的干扰，容易降低检测的精度。而振动信号的频率段dw4在不同流量下具有较明显的突变峰值特性，可作为旋流临界贯穿状态的检测与识别特征，从而为连铸过程浇注、化工萃取和工业搅拌等重要工业过程提供技术支持。5结论研究多相旋流形成过程冲击振动动力学特性具有重要的科研价值与工程应用前景。文中提出了一种基于流固耦合的多相旋流冲击振动建模方法，对旋流冲击振动动力学特性进行分析，研究不同流量条件下的旋流冲击振动机
42、理。主要结论如下：(1)研究了不同排流量对旋流形成过程的影响。结果表明，旋流的贯穿过程有两次临界过渡，诱导单一流动状态转变为两相混合流和三相混合流。初始扰动速度一定时，旋流在不同流量下的起旋高度并非线性增大，而临界贯穿高度随着排流量的增大趋于线性增大；排流量不变时，起旋高度与贯穿高度差随扰动速度的提高而不断减小。(2)排流后期存在强烈的冲击振动现象,其强度取决于流量。在临界贯穿状态下，信号具有振幅最大的瞬态突变特性；但突变后振动的强度明显降低,这与旋流的涡团能量释放有关。时域波形结构表现为非线性脉冲分量且存在二次突变现象，后者突变幅值比前者突变峰值大；通过信号处理算法对信号进行特征提取来判断临
43、界状态的过渡转换(3)针对旋流产生的冲击振动，基于小波变换的信号检测方法，识别临界贯穿状态的瞬态突变属性，讨论了临界贯穿状态下的频带分布。频率成分主要集中在dw,（50 10 0 H z）和dwz（2 5 50 H z）两个频段，旋流抽吸气泡受不规则的尺度和数量呈高度非线性特征，多相耦合过程的能量冲击增强了振动信号的随机性和复杂性，小波变换dw4突变特征可用于检测旋流冲击振动的临界过渡时刻。参考文献1Majhia S,Mukherjee A,George N V,et al.Corrosion mo-nitoring in steel bars using laser ultrasonic g
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