开敞式水泵吸水池内部流动的信号测量与分析

　　水泵吸水池内部的流动是典型的漩涡流动,尤其是在吸入管的附近存在多种类型的漩涡,这些漩涡的成因和运动规律各不相同,作者已经应用粒子图像测速(PIV)技术对一个开敞式吸水池内部的漩涡流动进行了测量,并分析了这些流动的运动规律[1]。由于漩涡流动时会伴随着其他非定常现象同时发生,为了全面了解吸水池内部的流动特征,本文又对该流动的其他非定常信号即压力信号和振动信号号进行了测量。

　　小波分析是一种新的信号分析方法,它具有良好的时频局部化性质[2 4],被誉为数学“显微镜”。本文采用小波互相关分析的方法对这两种非定常信号进行处理,得出它们的相互关系,进而得到水泵吸水池内部漩涡流动的规律。这对其他漩涡流动的研究也具有参考价值。

　　1　试验装置和设备

　　1.1　试验装置

　　本试验研究的是开敞式水泵吸水池内部的非定

　　流动特性,吸水池如图1所示。吸入管的形状是喇叭形,入口处的直径为75 mm,吸入管中心距左右两个侧壁面的距离都是135 mm,距后壁面的距离是110mm。整个吸水池有两个对称的进口。在吸入管前方,放置一块挡水板,起到稳定水流的作用,在来流方向的底板处,各有一块衬板,它起到调节吸入管进口流速的作用。吸水池的末端用透明材料制作,这样便于观察吸入管周围的流动。

　　1.2　信号采集系统

　　在该试验中,分别使用压力传感器和振动传感器来测量吸水池内部流动的压力信号和振动信号。这两种信号分别转化成电压信号直接输入采集板,图2是传感器的布置示意图。这两个传感器分别固定在吸水池的玻璃壁面上,并且位于同一高度上。

　　试验时,这两个传感器同时进行采样,采样信号输入采集板的两个不同通道,这样能保证这两组信号的相关性。在采样的过程中,两组信号的采样频率都定为12.8kHz,这个采样频率基本能将各个频段的信号包括在内。

　　1.3　试验工况

　　试验是在吸水池内部流动处在空化初生临界状态下进行的。在试验过程中,通过改变挡水板的没水深度和更换不同尺寸的底面衬板,来确定不同的测量工况。当挡水板的没水深度和底面衬板尺寸确定时,通过调节进口流量的大小,使得吸入管内的流动处于空化初生的临界状态。

　　2　非定常信号的小波互相关分析

　　2.1　小波互相关算法的推导

　　为了分析两种不同信号之间的关系,可以进行小波互相关分析,这种分析方法是对连续小波分析和互相关分析方法的改进[5 7]。连续小波分析可以得到信号在不同时频下的特征,这些特征通过小波系数就可以反映出来。为了得到两个信号fx(t)和fy(t)在不同时频域下的相互关系,对小波系数Wfx(a,b)和Wfy(a,b)做互相关变换,就得到了小波互相关函数[6]