0 引 言

随着煤矿开采深度的加深，大量含瓦斯煤层表现出显著的孔隙、低渗透性、高吸附特征[1-2]。在实施“先抽后采”的煤及煤层瓦斯井下双能源开采过程中，如何改善高瓦斯、低透气性煤层的透气性，扩大煤层瓦斯排放范围，进而提高煤层瓦斯抽采率,是矿井瓦斯灾害防治急需解决的关键问题[3-5]。

利用高压水射流技术进行钻孔，可有效扩大孔内裂隙网，改变原始煤层裂隙状态，增大煤层透气性能，从而明显提高低透气性煤层的采前预抽效果。多项研究结果表明，在相同煤质条件下，水力割孔比普通孔抽采瓦斯量提高70%左右[6-8]。

综上所述，该次研究证实，在糖尿病检测中，将受检者的空腹血糖指标与糖化血清蛋白指标进行检测，更有利于提高糖尿病的诊断准确率，可以作为诊断糖尿病的敏感性指标，临床诊疗价值突出。

自振射流是一种兼有空化射流和脉冲射流优点的高效射流，其振荡频率可达200～1 000 Hz，脉冲峰值压力可以达到平均压力的2.5倍[3]。自振射流能以高度聚能的射流束在煤岩上产生冲蚀、空化，来实现对煤岩的切割破碎。因此在低渗透性煤层瓦斯的抽采领域具有广阔的应用前景。

赫姆霍兹(Helmholtz)喷嘴是一种典型的自振射流喷嘴[9-10]，由其产生的射流具有强烈的压力振荡与大结构分离涡流环，因此在围压下具有比普通射流更强的空化能力，从而产生更大的破坏力和更理想的冲蚀效果，大幅提高作业效率。

从第1.1节可知，试验用赫姆霍兹喷嘴由可拆换的风琴管和振荡腔2个部分结构组成。为此，分别研究2个部分结构参数与赫姆霍兹喷嘴射流振荡特性的关系。

在现有的自振射流研究中，针对其振荡和空化特性，主要借助于标靶打击试验，并通过射流的打击效果来间接地开展研究，但至今仍没有明确给出射流的流动状态与其振荡特性的内在关系。因此，笔者将采用传感技术直接获取喷嘴腔内流体的压力脉动信号以及淹没状态下射流的空化噪声信号，基于信号分析方法重点研究赫姆霍兹自振射流的振荡和空化特性，以期揭示其与射流流态之间的内在关系。

1 赫姆霍兹喷嘴试验装置及参数

1.1 赫姆霍兹喷嘴试验装置结构

试验喷嘴编号及试验工况见表1，试验分为4组，每种工况下来流参数保持不变。表1中H为赫姆霍兹喷嘴，其结构如图1c所示；O为赫姆霍兹上体结构，可视为风琴管喷嘴，其结构如图1a所示；C为普通圆锥喷嘴(图1d)。

  

图1 试验喷嘴结构Fig.1 Experimental nozzle structure

在前期研究中，课题组对喷嘴腔内信号检测方法、压力传感器选取及测点的布置等问题进行了深入分析[18-20]。研究表明，自振射流的腔内压力信号与标靶打击信号的频谱具有一致性，且腔内压力信号能量集中，干扰少，频谱清晰，特征明显[20]。同时，喷嘴内压力传感器的加装并未对射流频率产生显著影响。依据研究成果，在喷嘴侧壁布置1个测点并加装压力传感器，获取喷嘴腔内流体压力脉动信号；在标靶近处布置水听器，测取射流的空化噪声信号。流体的压力脉动信号经傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)，得到幅频特性，进而分析射流的振荡特性。空化噪声分析采用功率谱法[21]，通过噪声频带与能量大小探究射流的空化作用效果。

（7）全面性。主要是对储量评估师的要求。一个优秀的储量评估师一定具有专业背景和丰富经验，而仅具有专业知识与技能不一定是优秀的评估师。储量评估需要各专业专家的技能协同进行，包括地球物理学家、地质师、测井分析师、采油工程师、油藏工程师、统计学专家和经济学专家，评估师应该拥有足够的知识，能够将各专家的贡献融合为一个统一的整体，由此得出完整且合理的储量评估结果。

1.2 试验系统

为了获取喷嘴腔内的流体压力脉动信号以及淹没条件下的射流空化噪声信号，搭建了如图2所示的试验系统。该系统由控制台、水箱、泵、流量计、压力表、蓄能器、喷嘴装置、淹没水槽、传感器和数据采集器等组成。其中蓄能器用以削弱柱塞泵引起的来流脉动，淹没水槽提供自振空化所必要的淹没条件。

  

1—控制台；2—水箱；3—泵；4—蓄能器；5—压力表；6—流量计；7—喷嘴装置；8—压力传感器；9—水听器；10—数据采集器；11—计算机；12—淹没水槽图2 赫姆霍兹喷嘴试验系统Fig.2 Experimental system of Helmholtz nozzle jet

图1c中，Ds为赫姆霍兹喷嘴的入口直径，上部分风琴管结构的直径为D1、腔长为L1、出口直径为d1，下部分振荡腔直径为D2、腔长为L2、出口直径为d2。图1d中，喷嘴的锥形角为60°，喷嘴的出口直径仍为d1。

1.3 试验工况

赫姆霍兹喷嘴作为典型的自振射流发生器，其结构参数决定着自振射流的特性[14-16]。赫姆霍兹喷嘴主要由上、下2部分组成，上部分通常为普通圆锥喷嘴结构，下部分为振荡腔。为了便于分析赫姆霍兹喷嘴的振荡特性，借鉴了李根生等[17]的研究成果，对赫姆霍兹喷嘴结构进行了改进，将上部分普通圆锥喷嘴结构替换为风琴管喷嘴结构，下部分仍为振荡腔，如图1c所示。为了实现结构参数可调，将试验用赫姆霍兹喷嘴结构设计为可拆装的2个部分，如图1a和图1b所示。根据试验需要，由图1a和图1b可以组合成不同结构参数的赫姆霍兹喷嘴。试验过程中通过更换不同尺寸的振荡腔，实现对腔长的调节。

在长期应用中，农田残膜回收机械化技术应用获得了有效发展，作业形式也在逐步完善。当前在播种前进行机械化作业，主要是在土地进行全面耕翻之后，通过搂齿、盘齿将土地残膜收拢，然后通过捡拾机配合人工操作将残膜清除，装车运出。

 

表1 试验喷嘴编号及试验工况Table 1 Number of test nozzles and experimental condition

  

试验组次喷嘴类型喷嘴编号喷嘴参数/mmd1d2L21HHH1232.52.52.53.03.03.0210262H4—172.53.00^263HHH18192022.532.43.03.61212124HOC192225—3.0—3.0—3.012——

2 试验结果分析

2.1 自振射流振荡特性

自振射流的振荡特性虽与来流参数有关，但主要决定于自振射流发生装置的结构参数。基于信号分析方法研究赫姆霍兹喷嘴结构参数对自振射流振荡特性的影响以及赫姆霍兹射流的特点。

为了增加冲蚀效率，更好地应用赫姆霍兹喷嘴射流，国内外学者对赫姆霍兹射流做了大量理论分析与试验研究。Rock well[11]将自振射流分为流体谐振激励式、流体动力激励式与流体弹性激励式，同时讨论了流体通过赫姆霍兹共振腔时的振荡频率[12]。John son[13]提出自振射流的概念，并说明了其应用在深孔钻井钻头时的优点。

1)振荡腔参数与赫姆霍兹射流振荡特性。首先，保持赫姆霍兹喷嘴上部分结构参数(D1、d1、L1)与振荡腔腔径D2和出口直径d2不变，改变振荡腔腔长L2，研究振荡腔腔长对自振射流振荡特性的影响，试验工况见表1第1组。由第1组试验得到其频谱如图3所示。

1）密钥生成。算法输入安全参数 1160，随机选取整数 k∈[1,n-1]，基点 G∈Ep(a,b)，计算 K=kG。算法输出公钥K，私钥k。

  

图3 不同振荡腔赫姆霍兹喷嘴射流频谱Fig.3 Helmholtz jet spectrum of different oscillation cavity

由图3可得，d1保持不变，当喷嘴L2/d1相差较大时，共振峰值幅值相差较大，但产生的自振射流振荡频率基本一致。如图3所示，L2/d1=0.8时共振峰值为1.50×105 Pa；L2/d1=4时共振峰值为3.14×105 Pa；L2/d1=104时共振峰值为1.76×105 Pa。但射流振荡频率均为340 Hz左右，说明振荡腔腔长对自振射流振荡幅值有显著影响，而对振荡频率影响较小。

为了进一步分析自振射流振荡幅值和频率与振荡腔腔长的关系，进行了第2组试验，试验工况见表1第2组。试验采用了14个赫姆霍兹喷嘴，其参数D1、d1、L1、D2、d2/d1保持不变，编号相邻喷嘴振荡腔长度L2相差2 mm。通过试验首先获得每个喷嘴产生的自振射流频谱，由频谱再得到自振射流的共振频率及其峰值幅值，试验得到的14个喷嘴的自振射流共振频率及峰值随振荡腔长变化的关系如图4所示。由图4可见，随着L2/d1增大，自振射流的共振频率并没有发生明显改变，基本在340 Hz左右。而其共振峰值则先增加达到最高值后减小，最小峰值为1.50×105 Pa，对应L2/d1=0.8，最大峰值为3.4×105 Pa，对应L2/d1=4.8，变化幅度为2.3倍。

  

图4 振荡腔腔长与赫姆霍兹射流自振频率关系Fig.4 Relation between oscillating frequencies ofthe jet and Herm Holtz

上述试验结果表明，改变赫姆霍兹喷嘴振荡腔腔长对其共振频率的影响并不显著。这从侧面验证了Chahine G L等的研究成果，即赫姆霍兹喷嘴内流体发生自激振荡时，其共振频率主要由上半部风琴管结构决定[22]。

尽管振荡腔腔长几乎不影响射流的共振频率，但是对射流的脉动强度有显著影响。由试验结果可知，当其他条件不变时，L2/d1存在最优值。对于本文所研究的喷嘴，L2/d1的最优值为4.8。

由图5可见，振荡腔结构相同时，上体结构参数d1不同，赫姆霍兹喷嘴产生自振射流的共振频率大小及幅值均不同。d1=2 mm时自振射流的共振频率为311 Hz，幅值为2.83×105 Pa；d1=2.5 mm时自振射流的共振频率为341 Hz，幅值为3.43×105 Pa；而当d1=3 mm时自振射流不存在高频共振，振荡频率均为来流扰动的整倍频。由此表明，赫姆霍兹喷嘴上部分结构参数对自振射流的自激振动的产生、频谱结构以及共振频率的大小影响较大。此外，通过射流流态的幅频谱特征分析，能够较好地评价喷嘴射流的振荡特性。

  

图5 不同上体结构赫姆霍兹喷嘴射流频谱Fig.5 Hermholtz jet spectrum of different body structure

2)上体结构参数与赫姆霍兹射流振荡特性。赫姆霍兹喷嘴的上半部分结构形式有多种，且参数较多，为便于对比分析，上体结构采用了风琴管。试验中，振荡腔参数保持不变，腔长L2=12 mm，通过改变上体结构的参数d1来研究其对射流振荡特性的影响，试验工况见表1第3组。进行第3组试验，结果如图5所示。

图像题是近几年初中化学试题中较为重要的一类题型，它主要利用图形、图表的方式来呈现化学知识，考查学生的读图识图、提炼信息、分析与处理数据的能力。其中，“金属与酸反应的图像题”属于图像题中易错易混淆的类型，难度较大。

2.2 自振射流空化作用

空化噪声为宽频谱噪声，且空泡在其闭合到最小半径前后瞬间具有相当大的体积脉动率，因此其辐射的噪声声压很大。同时空化噪声是一个随机量，不满足狄利克雷(Dirichlet)收敛准则，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义；而随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反映了该过程的各频率分量的平均强度。所以，空化噪声的频率特性需运用功率谱密度估计手段进行分析研究，采用Welch功率谱密度估计法对空化噪声信号进行分析，得到其功率谱密度图。

为了研究不同自振喷嘴的空化作用，分别采用3种喷嘴进行第4组试验，试验工况见表1第4组。3种喷嘴出口直径均为3 mm，来流参数保持一致，使用水听器采集其空化噪声，并取各个喷嘴空化效果最佳值进行分析。试验结果分析如图6所示。

利用SPSS 19.0统计学软件包对研究数据进行统计分析,以均数±标准差表示计量资料,组间比较采用t检验,以率表示计数资料,组间比较采用X 2检验。P<0.05时则表明差异具有显著统计学意义。

图6中，由于初始状态下系统干扰与环境噪声幅值在0左右，因此纵坐标截取0以上部分。图6a为19号赫姆霍兹喷嘴射流空化噪声功率谱图，其峰值频率为2～4 kHz，峰值幅值为75 dB，频率带宽在16 kHz左右，并计算得到其1 s内空化噪声能量值为7.14×106mJ/(s·m2)。23号风琴管喷嘴产生的空化噪声功率谱图如图6b所示，其峰值频率为1 ～3 kHz，峰值幅值为65 dB，频率带宽约为8 kHz，其每秒内空化噪声能量值为3.51×106 mJ/(s·m2)。25号锥形喷嘴产生的空化噪声功率谱图如图6c所示，其峰值频率为0～1 kHz，峰值幅值为75 dB，频率带宽约为6 kHz，空化噪声1 s内能量值为1.69×106 mJ/(s·m2)。

  

图6 不同喷嘴射流空化噪声功率谱Fig.6 Power spectrum of cavitation noise in different nozzle jets

对比分析可见，相对于25号锥形喷嘴，22号风琴管喷嘴射流空化噪声功率谱带宽是其1.5倍，能量是其2倍。而风琴管结构增加振荡腔演变为19号赫姆霍兹喷嘴后，空化噪声功率谱带宽增加了1倍，峰值幅值比风琴管喷嘴高10 dB，且4～8 kHz高频成分幅值增高了约30 dB，空化噪声能量是风琴管喷嘴空化噪声能量的1.9倍。对比分析表明，风琴管喷嘴会促进射流空化的产生，同时含有振荡腔的赫姆霍兹喷嘴空化噪声频带更宽，能量值更高，即振荡腔会增强自振射流的空化效果。因此相对于锥形喷嘴与风琴管喷嘴，赫姆霍兹喷嘴射流空化作用更加强烈。

3 结 论

1)赫姆霍兹喷嘴射流具有高频的振荡特性与强烈的空化作用。赫姆霍兹喷嘴上部分结构对射流的自激振动产生和共振频率大小起决定作用。而其振荡腔对共振峰值起到放大作用，且存在最优腔长，但对共振频率几乎无影响。

20世纪50年代初期，苏联提出了托卡马克的概念，并建成了世界范围内第一个托卡马克装置。由于磁场强度技术上的限制，所能约束的高温等离子体只能是非常稀薄的.其密度比惯性约束中的小很多。因此要实现点火，就要大大增加约束时间。

2)赫姆霍兹喷嘴上部分结构促进了自振射流的空化产生，而下部分振荡腔增强了自振射流的空化效果，但有关空化效果的辨识与评价仍需进一步研究。

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