（油气井工程专业论文）射流采集与分析软件开发及射流特性测试分析.pdf

s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti nj e ta c q u i s i t i o n & a n a l y s i s a n d7 i e s ta n a l y s i so nj e tc h a r a c t e r i s t i c s x up i n g ( o i l & g a sw e u e n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db ys e z h o uw e i d o n g a b s t r a c t h i 曲- p r e s s u r ew a t e r _ j e tt e c h n o l o 鼢a san e w l yr a i s e dm e m o d ，i sw i d e l y 印p l i e di 1 1t h eo i l p r o d u c t i o n ，w h i c hc 趾i n c r e a s ed m l i n gs p e e da i l d o i lr e c o v e 巧e m c i e n c ys i g i l i f i c a n t l y a m o n g a l lk i n d so fw a t e r - j e t s ，a b r a s i v ew a t e r - j e ts h o w sau n i q u ea 1 1 do u t s t a i l d i n gf e a t l l r e t b u s et l l i sj e ts u c c e s s m l l y ，m u c hr e s e a r c ho nj e tc h a r a c t e r i s t i c sr n u s tb ed o n e ，w 1 1 i c hm e a n s ，w e s h o u l dw o r ko u ta 1 1a c q u i s i t i o na n da i l a l y s i so nj e t e c t i o nv e l o c i 够a n dp r e s s u r e a i m e da t t | l i sg o a l ，t h i st h e s i sp r o m p t e daw a t e r - j e ta c q u i s i t i o na i l d 觚a l y s i ss o r w a t h es o 行w a r ei s c o n s t r u c t e db a s e do nt h ep l a t f o mo fl a b v i e w ，a 1 1 di th a sa 衔e n d l yi n t e r f a c e ，l e a d st oa 1 1 e a s yo p e r a t i o n n2 l l s oh a sa 晰d eu n i v e r s a l i 饥w t l i c hm a k e si t c a i ln o to n l yc o l l e c td a t a r 印i d l ya i l da c c u r a t e l y b u ta l s op r o v i d et r e a t m e ma n da l l a l y s i s d a t a t r e a t i i l e n tr e f e r st od a t a f i l t e r i n g ；d a t aa u l a l y s i sr e f e r st od a t ap l a y b a c l 【i n g ，t i m e - d o m a i n ，舶q u e n c yr a i l g ea i l a l y s i sa i l d d a t ac u r v ef i t t i n g o nt h eb a s i so ft h es o 胁2 u r e ，“st h e s i s 、o r k e do u tt h ej e ti m p a c t p r e s s u r e st e s ta n da n a l y s i s 恤o u g ht h eu s eo fj e td e v i c e si nh i g hp r e s s u r ew a t e r - j e tl a bi n c u p t h er e s u l t si n d i c a t et h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no fac o i l f i r l e dp r e s s u r e ，j e tm a ys t i l lr e m a i n i t ss i m i l a r i 吼t l l ec o n f i n i n gp r e s s u r ew t l i c hm a yc h a l l g et h ed e c a yr a t e ，c a i ln o ta 行e c tt h e d e c a yl a wo fd i m e n s i o l l l e s si m p a c tp r e s s u r ei nt h ea ) 【i a la n dr a d i a ld i r e c t i o n m e a n w l l i l e ，t l l e p r e s s u r ed e c r e a s e dw i t ht h er e d u c t i o no fc o n f i n i n gp r e s s u r ei i lt h es 锄ed i r e c t i o n f u r m e r t e s t si n d i c a t et h a tt h ew a t e r - j e ta c q u i s i t i o na i l d 趾a l y s i ss o f w a r ei so fh i g hr e l i a b i l i t ) ，a n dt h e u s a b i l i 够 k e yw o r d s ：j e t ，a c q u i s i t i o na n da i l a l y s i s ，l a b v i e w ，t e s t l l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盗聋日期：叼年s 月2 6 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盗叠 指导教师签名： 日期：( ) 器年s 月26 日 日期：d 富年s 月2 7 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 随着我国东、西部老油田相继进入开发的中后期，我国的油气产量不断降低，后备 储量严重不足，严重的威胁着油田的稳产和增产。由于当前石油开发技术水平和传统技 术的限制，目前，我国的油气资源开发利用率较低。据统计，我国水驱油藏的平均采收 率只有3 3 左右，远远低于发达国家的开采水平，而低渗、稠油等复杂油气藏的采收 率则更低。如何最大限度的开发地下油藏，提高原油的最终采收率，一直困扰着石油科 技工作者，也是当今世界范围内的热点课题之一。 造成原油最终采油率较低的因素主要有：产层本身的渗透率较低；近井地层受到钻 井、开发的污染；炮弹射孔的深度有限；射孔过程中对地层造成二次污染等等。针对以 上问题，科技工作者采取了多种措施。如各种物理法处理地层技术、酸化压裂技术等， 这些技术虽然都达到了一定的增产效果，但仍无法取得长久和根本的效果。而近几十年 来迅速发展起来的新技术高压水射流技术则显示了越来越明显的优势。尤其是目前 针对低渗水平井的开发而形成的磨料射流射孔压裂一起化技术表现出了非常独特的优 势。 磨料射流射孔技术是近2 0 多年来迅速发展起来的一项新技术。该技术是以水和磨 料的混合液为工作介质，通过增压设备和特定形状的喷嘴产生高速射流，射穿套管和近 井地层，形成一定直径和深度的射孔孔眼，从而有效的射开目的层、降低地层破裂压力 与生产压差、解除近井地带的储层污染，最终达到提高油井产量的目的。 在磨料射流射孔技术中，关键问题是磨料射流喷嘴所产生的射流特性的研究，即射 流速度分布特性和射流压力分布特性等。而为了对射流特性进行有效的研究，就必须对 射流运动范围内的速度以及冲击压力等特性进行采集与分析。基于此目的开发射流采集 与分析软件，并应用此软件和石油大学( 华东) 高压水射流研究中心的喷嘴流道检测系 统对磨料射流喷嘴的射流冲击压力进行实验测试与分析，进一步优化磨料射流射孔技 术，为保证磨料射流射孔技术的成功率，提高低渗水平井的油井产量及原油的最终采收 率提供可靠保证。 1 1 高压水射流技术的研究与发展现状 高压水射流技术是近几十年来得以迅速发展的一项新技术，作为清洗、切割、破碎 工具，高压水射流具有其独特的优越性。高压水射流是将普通自来水通过高压泵加压到 第一章前言 数百乃至数千大气压力，然后通过特殊的喷嘴，以极高的速度喷出的一股能量高度集中 的水流。这一股一股的水流如同子弹一样具有巨大的打击能量，能够进行铸件清砂，金 属除锈，更能除掉管子内孔的盐、碱、油垢以及各种堵塞物【l4 1 。近年来，随着大型化、 智能化、专用化的高压水射流装备的迅速发展，该技术已渗透到众多应用领域。 高压水射流技术最早诞生于采矿业。1 9 世纪中叶，在北美洲第一次使用高压水射流 开采非固结的矿床。2 0 世纪5 0 年代初，前苏联和中国利用高压水射流进行采煤( 称为 水力采煤) 。随着水力采煤技术的推广，人们认识到提高水的压力和适当减小喷嘴直径 可以显著地提高水射流的落煤效果。于是人们开始研究较高压力的压力源( 高压泵和增 压器) 及高压脉冲射流( 俗称水炮) 。进入2 0 世纪6 0 年代，大批高压柱塞泵和增压器 的问世大大推动了高压水射流技术的研究工作【5 】。当时，部分学者片面认为水射流的 压力越高越好。日本研究出1 7 0 0 m p a 的增压器，前苏联和美国研究出5 6 0 0 m p a 的脉冲 射流发生器。到2 0 世纪7 0 年代末，高压水射流技术出现了一个新的动向，即从单一提 高水射流压力转向研究如何提高水射流的威力。在此期间出现了高频冲击射流、共振射 流和磨料射流，这些射流的水压并不算太高，但它们的威力却大大高于同样压力下的普 通连续水射流。进入2 0 世纪8 0 年代，磨料射流、空化射流、气水射流和自振射流的发 展，把高压水射流技术推向了一个新的阶段【9 1 2 】。如用磨料水射流精密切割金属板材、 合金钢、硬质合金、玻璃和陶瓷等，已在工业中得到了广泛的应用，它与激光束、电子 束和等离子切割，合称现代工业切割的四大高新技术。同时，各国学者也开始对各种射 流的基础理论和切割机理等方面进行研究【”。4 1 。高压水射流技术的应用范围也由采矿工 业扩大到石油、航空、建筑、交通运输、市政建设、化工、机械、轻工业及医学等领域。 在高压水射流技术中，磨料射流技术显示出了独特的优越性，得到了迅速发展。磨 料射流技术是基于水力动量一冲量定律的一种新型工艺技术，是一种基于高压水射流技 术为基础的改进应用型【1 5 郴】。实验研究表明，如果在较低压力下的纯水射流中加入一定 量的磨料微粒，将能大大提高水射流的冲击能力，切割效率也将比相同条件下的纯水射 流要高8 1 0 倍。这种混有磨料微粒的水射流称为磨料射流，这种高压水射流技术就叫 做磨料射流技术叫。 磨料射流技术于二十世纪八十年代迅速发展起来，据文献记载，世界上最先研究和 使用磨料射流的是美国，6 0 年代初b o b o 首先应用磨料射流钻井，这种方法在高压水射 流的基础上进一步提高了钻井速度，因而于1 9 6 3 年取得了磨料射流钻进装置的专利权。 1 9 6 6 年美国大西洋富田公司( a t l 觚t i c 对c 垤e l d ) 取得了磨料射流钻油井钻具的专利权。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 9 6 6 年美国海湾石油公司( g u l f o i l ) 又取得了磨料射流钻井钻头喷嘴的专利权。但由 于磨料射流对钻具和钻头喷嘴的严重磨损，使这项技术在石油钻井中未得到推广应用。 国际上大规模的对磨料射流的研究和应用始于7 0 年代末，在8 0 年代得到迅速发展。1 9 8 2 年，英国流体力学协会( b h i 认) 利用流态化原理研制了世界上第一台前混式磨料水射 流切割系统，最高压力可以达到6 9 m p a 。为了促使磨料浆流入压力管道中，在压力罐 的下口安了一个水力引射器，以便造成负压。其特点是供磨料的流量比较均匀，但结构 相当复杂【2 0 】。1 9 8 3 年，我国淮南矿业学院利用静压平衡的原理，通过磨料的自重和螺 旋机械疏导，使磨料加入到压力管道中，建立了前混合磨料射流实验装置。该装置的特 点是结构比较简单，但磨料流量的控制不够准确【2 l 】。1 9 8 4 年，f l u i d y n e 公司发明并试 验了一种新的多股水射流喷嘴，能喷射高能量的磨料水射流。实验表明，该磨料水射流 能在压力为1 0 0 m p a ( 或者更低) 时切割许多坚硬物料，喷嘴横移速度大于1 5 c 删恤i n ， 磨料消耗量小于1 0 k 咖i n 。用这种喷嘴成功的切割了硬岩、陶瓷、复合材料以及金属 物料【2 2 】。1 9 8 6 年，国内焦作矿业学院对磨料射流切割进行了深入的研究，研究了不同 喷射角度下磨料射流的切割能力【2 3 1 。1 9 8 9 年，r h h o l l i n g e r 等人在1 0 4 m p a 下对磨料 浆体射流进行了试验研究，结果表明磨料浆体射流具有更好的密集性特点以及切割窄缝 的能力【2 4 】。1 9 9 1 年，哈希斯实现了3 4 5 m p a 下的磨料浆体射流试验，试验表明高压下 磨料射流的切割效果更好；r h 。h 0 1 1 i n g e r 等针对浆体流变性对切割效果的影响，利用高 速摄影分析射流结构，以及分析切口变化等，发现粘弹性浆体性能优于其他非粘弹性浆 体2 5 1 。1 9 9 4 年，b m d t 等研究了磨料浆体射流影响切割效率的因素【2 6 】。1 9 9 7 年，a g u s 等对磨料浆体射流和磨料水射流用于岩石切割进行试验比较，并分析了参数的影响规 律。这些研究成果的取得为磨料射流技术的进一步研究与改进提供了基础。 1 2 高压水射流测试技术的研究与发展现状 测试技术包括测量和试验两方面的含义，它是指具有试验性质的测量或测量与试验 的综合【2 7 1 。测试技术的主要任务是获取有用的信息，研究各种物理量的测量原理，研究 测量信号的分析与处理方法。通过测试技术，可以揭示事物的内在联系与发展规律，从 而可以利用和改造它，推动科学技术的发展【2 o 】。科学技术的发展历史表明，许多新的 发现和突破都是以测试技术为基础的。 高压水射流测试技术主要是对射流特性，即射流速度分布特性，射流压力分布特性 等进行测试研究，通过测试获取信息，推动射流技术的发展。早期作为测量的代表仪器， 3 第一章前言 有毕托管、电磁流速计、压电探头等，其中以毕托管最具有代表性。毕托管构造简单、 使用方便、价格低廉，至今在工业上还有应用，然而，毕托管存在着测速范围较窄，仅 能测量一维流速，不能测量反向流动以及湍流脉动等不足f 3 1 。3 5 1 。1 9 1 4 年，出现了热线 测速技术( h o tw i r ef i l m a n e m o m e t e r 简称h w a ) 。热线测速技术是流动测量特别是湍 流的主要测试技术。它的缺点是固定接触式测量，对流场干扰大，难以测量细微湍流场， 对污染比较敏感。2 0 世纪6 0 年代，激光多普勒测速技术( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e y 简 称l d v ) 发展起来。激光多普勒测速技术利用流场中粒子的m i e 散射，测量了散射光 相对于原入射激光的多普勒频移量，计算出了粒子的运动速度，实现了对流场的无接触 测量。它具有不干扰流体流动、时间分辨力好、空间分辨力高、动态响应快等优点，在 流体力学领域中获得了广泛的应用。然而它和热线热膜流速仪一样，都只是一种单点测 量技术，其测量得到的是流场中点单元在采样时间内的平均速度，对瞬时速度的响应不 是很敏感，因此l d v 技术一般只适用于稳定流场的测量，不能用于测量非稳态流动。 随着激光技术、计算机技术、图像处理技术和摄( 录) 像技术的不断发展，全场测速技 术在最近几十年来迅速发展起来。全场测速技术包括粒子跟踪测速技术( p a n i c l e t r a c h n gv e l o c i m e t r y ，简称p t v ) 、粒子图像测速技术( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e n y ，简 称p i v ) 、激光分子测速技术( l a s e rm o l e c u l a r v e l o e i m e 仃) r ，l m v ) 以及压敏涂层测压 技术( p s p ) 等。此外，科技工作者还开发相应的测试软件和测试装置对射流特性进行 测试研究。 1 热线测速技术( h w a ) 热线测速技术( h w a ) 的出现是实验流体力学进步的一个里程碑。流体力学中的许 多成果，特别是湍流的许多经典结论，都与h w a 技术的成功应用密不可分。h w a 技 术的优点是惯性小、频响宽、信号连续、灵敏度高。h w a 技术的缺点是探头干扰流场、 多丝时空间分辨率低，单点测量；流向测量时需要速度和方向标定，操作较麻烦p 6 j 。 h w a 技术是利用放置在流场中通有加热电流的细金属丝来测量风速的技术。该技 术中的金属丝为热敏元件，通有加热电流，当风速变化时，金属丝的温度随之变化，从 而产生电信号，确定风速。在h w a 的发展过程中，先后出现了单丝、x 型双丝和三丝 探头。它们分别用于测量一维、二维和三维的速度矢量【3 7 1 。同时，h w a 技术也被拓展 用于温度、浓度和密度等物理量的测量。1 9 1 4 年k i n g 提出了无限长线与流体之间的热 对流理论，该理论奠定了热线风速仪的理论基础【3 8 1 。随后，h w a 技术经历了以平均速 度测量为主和以脉动速度测量为主的两个发展阶段，在工作方式上，提出了恒流和恒温 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 两种不同的工作原理。二十世纪九十年代，北京大学力学系的研究者提出了预移相型热 线热膜风速仪原理，这是我国科研工作者对h w a 技术作出的重大贡献。t s i 公司也由 此制成了h w a 3 0 0 型恒温热线热膜风速仪。 2 激光多普勒测速技术( l d v ) 激光多普勒测速技术( l d v ) 是一种非接触式测量技术，它已经有5 0 多年的历史， 在流场、湍流、流型等方面得到了越来越广泛的应用。l d v 技术的优点是高频响、高 精度、不干扰流场，易于判别流向等。缺点是信号随机采样、信号不连续、单点测量、 需示踪粒子、系统价格昂贵等【3 9 1 。l d v 技术的原理是：在流场中加入微粒充当随流体 运动的示踪粒子，当激光束聚焦到示踪粒子上时，会发生散射现象，用检测器接受散射 光和入射光的频率差就是激光多普勒频移。普勒频移是速度的函数，测得频移就可以得 到速度【4 0 1 。现在随着光纤技术、集成技术、光电技术和计算机技术的发展，l d v 系统 已出现了高频响的光纤集成l d v 系统，以及集成型一维和二维光纤探头等。 目前，国内外学者利用l d v 技术对射流流场进行了大量的研究。y 如和c u m m i n s 使用氦一氖激光器，测量了流过水管的流体层流速度分布。m a h m o u d 等人使用l d v 技 术研究了水在管道中的湍流情况，实验中精确测量了流体的平均速度和湍流强度。 a n t o i l i a 等人用l d v 技术研究了湍流状况下的流体流动。邓志群等人采用三维l d v 技 术对水槽侧壁的湍流边界层进行了测量，经数据处理后，给出了各湍流参数的分布曲线。 d t u s c h 等人使用l d v 技术测量了流体速度随时间变化的数值4 1 4 2 1 。综上所述，利用l d v 测量技术可以准确获取丰富的射流流场信息如时均速度场、湍流强度场、雷诺应力场、 剪切速率场，并可进一步计算得到宏观特征参数如排量和功耗等。但l d v 测量只是在 某一测点处一段时间内进行，因此一般只适用于稳定流场的测量。 3 粒子跟踪测速技术( p t v ) p t v 示踪粒子的纪录有多种形式。早期的有单幅图象单次曝光法和单幅图象多次曝 光法，后期又有由c c d 相机摄取的时间序列图象纪录法( d i g i t a lp a n i c l et r a c l 【i n g v e l o c i i i l e 仃v ，简称d p t v ) 。其中，单幅图象单次曝光法是用较长的曝光时间摄取粒子 的运动，在象面上记录粒子运动的迹线。在曝光时间长度确定后，可根据迹线的长度计 算速度，实际上这是一种从传统流动显示演变而来的测速方法。这种方法没有粒子识别 问题，速度方向测量二义性也可以通过一些特殊的方法加以解决。这一方法有时也称为 粒子轨迹测速( p a n i c l es 仃e 出v e l o c i m 啷r ，简称p s v ) 。单幅图象多次曝光法包括时间 编码多次曝光方式和两次曝光方式。时间编码多次曝光方式的特点与p s v 有些类似， 5 第一章前言 粒子识别容易，可以解决速度方向测量二义性。两次曝光方式是p t v 技术主要采用的 手段，曝光控制容易实现，粒子位置的判读精度较高。但是在粒子密度较高的情况下识 别较困难，并且存在速度方向判别二义性。 近年来，在p t v 测速研究中，国外开展最多的是用c c d 相机摄取粒子运动图象 的序列。它无须底片湿处理，可根据图象序列确定速度的方向，使速度场测量向着实时 化方向发展。但受到当前c c d 摄像系统硬件水平的限制，时间分辨率和空间分辨率还 不高，精度也不高。因此，如何从一群外形无任何特殊标记的粒子图象中识别某一粒子 在各序列图象中的位置，是p t v 技术能否由计算机自动判读、跟踪的关键技术。目前 粒子识别、跟踪的计算方法有多种，其中以h a s s a l l 提出的四帧法为好，该方法能较成 功地长时间跟踪粒子的轨迹。对于d p t v 技术速度测量动态范围问题，l i m 提出了用 单帧画面和多帧画面相结合的改善办法。 4 粒子图像测速技术( p ) 粒子图像测速技术( p i v ) 是在流动显示的基础上，利用计算机图形图像学高速有 效的算法，对获得的流场图像进行定量化f 4 3 】。p 技术与传统的方法( 如热线风速仪、 激光多普勒测速仪) 相比，是一种无干扰、瞬态、全流场的速度测量方法，而且具有较 高的测量精度，是最为成熟的一种二维全场测速技术，它不仅能够直观的反映流动现象， 而且还能够定量地揭示流动的规律，成为研究非恒定流问题的一个重要手段【“4 6 】。p 技术的基本原理是：用一个脉冲式激光片光源照射流场，用摄像机同步拍照，适当设置 脉冲时间间隔，得到一系列互相关联的流场示踪粒子图像，然后进行图像互相关分析， 得到该时刻成像位置的速度矢量场【4 。 经过2 0 多年的发展，p i v 技术已从早期的流动切面的瞬时二维速度场测量，逐步发 展到流动切面的瞬时二维速度场时间历程测量，流动切面的瞬时三维速度场时间历程测 量，以及流动空间的瞬时三维速度场测量【4 8 4 9 】。与此同时，p 技术也在湍流、高速流、 复杂工程流、多相流等领域取得了富有成效的应用。从微尺度到大尺度、从单相到多相、 从冷态到热态、从内流到外流等各个研究领域，已成为研究非定常复杂流动的新的基本 实验手斟5 0 啦】。p i v 技术优点是可以得到成千上万个瞬态速度矢量的分布，给出流场整 场信息，非单点测量。缺点是采样率低，光路调节复杂，技术还很不成熟，系统价格昂 虫 贝o 5 激光分子测速技术( l m v ) 激光分子测速技术( l m v ) 的基本原理是：通过流场中分子与激光场的相互作用， 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 包括散射、吸收、色散、辐射、解离等过程，利用各种线性和非线性光学效应及光学成 像技术把流场的物理参数转变为光学参数，通过光学处理而获得流场信息。l m v 技术 综合了线性和非线性激光光谱学、分子光谱学、激光多普勒效应、光学信息处理及图像 处理等学科的知识。其主要包括瑞利散射法、滤波瑞利散射法、线性和非线性喇曼光谱 法、激光诱导荧光法、吸收光谱法以及分子标记示踪法等。l m v 技术是一种分子水平 的测量，可以最大限度地获取真实流场信息，适合瞬态和微观过程的研究。利用激光进 行分子水平的测量，不仅可以获得流场中空间点的速度、密度、温度、压力、物质组成、 物质浓度等物理参数以及这些参数随时间的变化，而且还可用于整个流场的二维、三维 结构和各点参数的研究，并且具有很高的灵敏度和精确性。 6 压敏涂层测压技术( p s p ) 压敏涂层测压技术( p s p ) 是新近发展起来的一种压力测量技术，它利用光学特性 测量物体表面的压力分布，即将一种特殊的压力敏感涂料覆盖在流道表面上，利用一定 波长的光照射后，涂料能够发射荧光，通过测定发射光强度场，来计算相应的压力分布。 压敏涂层测压技术最大的特点是可以测量连续变化的压力场，获取大量的流场信息。 7 测试软件开发技术 在测试软件开发方面，1 9 9 6 年，冶金部钢铁研究总院的张春霞等人为研究多股射流 特性，开发了新型的三维流场图形、数据处理系统。该系统以8 0 8 8 汇编语言为主，兼 用b 认c 语言为辅，直接对采集的实测数据进行网格化计算等各种处理，形成了相应的 等速度剖面图、射流分布立体图、射流中心线偏转轨迹图等。实践表明，该系统能较好 的描述多股射流的特性，大大的提高了数据、图形处理的精度和效率。1 9 9 8 年，西南 石油学院的王嘉松等人对脉冲射流压力动态测试信号进行了定量分析，研制了信号分析 系统软件( x h f x ) 。该软件包括压力转化、数据平滑、波形特征量计算、频率分析等功 能模块，能正确评价动态压力信号的波形特征、频率结构及能量分布。1 9 9 8 年，中国 科学院山西煤炭化学研究所的郭庆杰等人针对压力波动，开发了一套压力测试软件。该 软件采用f o m 锄编写，可以完成对平均值、标准偏差和波动强度的计算，同时还可以进 行直方图分析、功率谱密度函数分析。 8 测试装置开发技术 在测试装置丌发方面，中国科学院山西煤炭化学研究所的郭庆杰等人开发了一套具 有多路循环、现场显示功能的压力测试装置，该测试装置包括压力探针、差压变送器、 a ，d 转换装置、计算机等构件。在3 0 0 5 0 瑚m 二维气固射流床中采用多组分混合物，对 7 第一章前言 带有喷口的气固流化床的三种流型进行分段功率谱、压力波动的直方图和概率统计分析 的研究，并报导了混合物的功率谱密度图及直方图。中国石油大学的沈忠厚院士等人利 用高压模拟井筒及射流发生系统对不同围压下的射流动压力进行实时测量，根据实测数 据和流体力学理论，得到围压状态下射流动压力的计算模式，总结出围压对射流的影响 规律【5 3 1 。南京理工大学的张玉荣等人基于r l p g 高压喷射环境，建立了射流流动特性 的实验测定系统和分析方法。利用该系统测出了高压下喷口的流量系数，得到了射流头 部贯穿速度和射流核形态。上海理工大学的丁胜等人设计了水下高围压射流模拟装置。 结合对模拟装置的理论模型分析，实验测试了水下高围压射流模拟装置伴随射流时内部 的压力变化过程，并验证了理论模型。上海理工大学的宁原林等人设计了水下高围压磨 料射流切割模拟试验装置并对其进行了试验。实验实现了水下切割环境的模拟，成功地 解决了水下高围压条件下磨料的供给，得出了靶距及射流压力对水下磨料射流冲蚀性能 的影响规律。 1 3 研究内容 论文将结合高压水射流技术与测试技术，开发基于l a b v i e w 的射流采集与分析软 件。并在此软件的基础上利用石油大学( 华东) 高压水射流研究中心的喷嘴流道检测系 统对磨料射流喷嘴的射流冲击压力进行实验测试与分析。具体研究内容如下： 1 。通过文献调研，掌握高压水射流技术和测试技术的基本理论知识，了解高压水射 流技术和测试技术在国内外发展的现状及存在的不足，设计论文的总体研究方案； 2 通过文献调研，掌握l a b v i e w 的基本理论知识与l a b v i e w 的使用。重点掌握 基于l a b v i e w 的数据采集技术与数据处理技术： 3 在l a b v i e w 的基础上，设计射流采集与分析软件。使该软件能够实现数据的采 集、数据的显示、数据的存储和数据的处理与分析等功能； 4 在射流采集与分析软件的基础上，设计数据采集系统和磨料射流喷嘴。同时，设 计射流冲击压力测试实验，掌握实验设备的使用方法，掌握实验的操作和流程； 5 利用石油大学( 华东) 高压水射流研究中心的喷嘴流道检测系统和自行开发的射 流采集与分析软件对磨料射流喷嘴的射流冲击压力进行实验测试与分析。通过分析，总 结出常压及围压下射流冲击压力的分布特性，以及围压对射流冲击压力分布的影响规 律。并验证软件的可靠性。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章射流采集与分析软件开发 2 1 软件的设计思想 本着从实际需要出发，着眼于满足目前以及以后软件功能扩充的原则，开发了射流 采集与分析软件。软件的设计思想是：实现软件要求的各种功能，即数据采集、数据显 示、数据存储、数据处理与分析等；达到系统执行效率高、执行速度快、容错能力强、 便于调试与扩展的特性；尽量减少操作过程中，操作人员的输入和选择。 2 2 软件的设计原则 软件的设计原则应遵循以下五点： 1 测量精度。做为射流采集与分析软件，测量精度高是软件存在的一个必要条件； 2 可靠性。可靠性是射流采集与分析软件性能优良的一个重要方面，因此在设计 时要充分重视，并采取一切可能的措施来提高软件的可靠性； 3 操作性。做为一种日常操作，要求软件具有友好的图形界面，便于用户操作与 使用，同时软件要维护方便，只有这样才能最大发挥射流采集与分析软件的功能。 4 可扩充性。一个通用的射流采集与分析软件应该能适用于多种不同的设备，因 此在软件设计时应考虑到软件的通用性和扩充能力，软件的设计应尽可能的通用化； 5 价格。在满足以上条件后，价格也是重要考虑因素。 2 - 3 软件的设计目标 软件的设计目标应实现如下功能： 1 为了很好的采集信号，软件要具有准确采集数据的功能。根据用户的需要，设 置采集参数，完成信号的采集； 2 为了很好的跟踪采集信号，软件要具有准确显示数据的功能。在信号采集的同 时，实时的显示信号信息，供用户参考与查看； 3 为了很好的保存采集信号，软件要具有存储数据的功能。根据用户的需求，由 用户操作，不定时的存储采集信号。此外，为了能够存储一定数量的数据文件，软件要 具有相当的存储空间； 4 为了很好的分析采集信号，软件要具有强大的处理与分析功能。打开采集到的 信号，根据用户的需要，进行一定的数据处理与分析，并把分析结果快速的显示出来。 9 第二章射流采集与分析软件开发 2 4 软件的结构设计 为了实现软件的可扩展性和易维护性，在软件设计阶段要进行软件的结构设计。射 流采集与分析软件则是采用模块化的方法进行设计，大致可分为两大模块。一是数据采 集模块，二是数据处理与分析模块。软件的结构图如图2 1 所示。 2 5 软件的开发工具 图2 1 结构图 f j 9 2 一l s o f t w a i es t r u c t u r a ld i a g r a m 射流采集与分析软件选用l a b v i e w 作为软件的开发工具。 2 5 1l a b v i e w 概述 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o 巧r t l 塌li n s t n 蛐e n te n g i n e e r i n g w - o r k b e n c h ) 的简称，是美国n i 公司开发的创新产品，也是目前应用最广、发展最快、 功能最强的图形化软件开发集成环境【5 4 】。l a b v i e w 是一种图形化的编程语言，图形化 的程序语言，又称为“g ”语言。使用这种语言编程时，基本上不用书写程序代码，取 而代之的是流程图。利用这种图形化的程序语言，实现了仪器的编程和数据采集系统的 构建，增强了用户构建科学和工程系统的能力，使编程及使用过程生动有趣。因此， l a b v i e w 是个面向最终用户的工具，被广泛地应用到工业界、学术界和研究实验室， 被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件【5 引。l a b v i e w 从1 9 8 6 年美国n i 公司开发 研制出基于苹果公司的m a c i n t o s h 微机的最早版本起，该公司已经不断推出了基于各种 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 操作系统的版本，目前l a b v i e w 己经发展到以最新版本l a b v i e w8 2 为核心，包括控 制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制和p d 控制等众多功能，运行 于w 证d o w sn t 9 8 ，l i l l u ) 【等多种平台的工业标准软件开发环境【5 6 1 。射流采集与分析软 件则选用l a b v i e w8 2 作为软件的开发工具。 l a b v i e w 作为现代测试软件的代表，具有以下特点： 1 l a b v i e w 使用“所见即所得 的可视化技术来建立人机界面，并且是针对测试 测量和过程控制领域的。l a b v i e w 提供了许多仪器面板中的控制对象如：表头、旋钮、 开关、坐标图等。用户可以通过控制编辑器将现有的控制对象修改为适合自己工作领域 的控制对象； 2 l a b v i e w 使用图标表示功能模块，使用图标之间的连线表示各模块间的数据传 递。因为l a b v i e w 使用大多数工程师熟悉的数据流程图式的语言书写程序代码，所以 编程过程和思维过程非常类似。这样不仅使编写程序变得简单而且写出来的程序更加易 懂； 3 l a b v i e w 继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点。l a b v i e w 支持 模块化、层次化设计，这种层次结构的设计增强了程序的可读性： 4 l a b v i e w 提供了多种程序调试方法。用户可以在源代码中设置断点、单步执行 源代码、在源代码中数据流连线上设置探针和观察程序运行过程中数据的变化等。因为 直接显示了数据的流动，所以l a b v i e w 的调试功能相对其他程序的调试更加直观，更 加易于分析程序中的错误； 5 l a b v i e w 提供了大量的函数库供用户直接调用。从基本的数学函数、字符串处 理函数、数组运算函数和文件函数到高级的数字信号处理函数和数值分析函数。从底层 的v x i 仪器、数据采集板和总线接口硬件的驱动程序到世界各大仪器厂商的g p i b 仪 器的驱动程序，l a b v i e w 都有现成的模块帮助用户方便迅速组建自己的应用系统； 6 l a b v i e w 提供了动态链接库( d l l ) 接口和c i n 节点。这样用户可以使用其它软 件平台的模块来完成l a b v i e w 本身无法实现的功能，比如为自己设计的板卡编写驱动 模块； 7 l a b v i e w 运用了多线程技术，改善了系统的运行速度和可靠性； 8 l a b v i e w 采用了编译方式运行的3 2 位应用程序，解决了其他运用解释方式运 行程序的图形化编程平台运行速度慢的缺点； 9 l a b v i e w 支持多种操作系统平台，如m a c 迹t o s h ，p o w e r 】a c i n t o s h ，h p ， 第二章射流采集与分析软件开发 s u l ls p a r c ，w m d o w s 9 5 9 8 ，w i n d o w sn t 等。在以上任何一个平台开发的l a b v i e w 应用程序都可以直接移置到其他平台上【5 7 】。 2 5 2l a b v i e w 组成 l a b v i e w 编写的程序称为虚拟仪器v i ( m l a li i l g t r u m e n t s ) ，因为它的界面和功 能与真实的仪器十分相像，所以在l a b v i e w 环境下开发的应用程序都以v i 为后缀， 表示虚拟仪器的含义【5 8 1 。一个v i 是由前面板( f r o n tp 缸e 1 ) 、程序框图( b l o c kd i a g r a m ) 和图标连接端口( i c o n t e n n i n a l ) 三部分组成【5 9 】。 1 前面板。 前面板就是图形化用户界面，通过控件菜单用于设置输入数值和观察输出量。在前 面板中，用户可以使用各种图标，如旋钮、按钮、开关、实时趋势图和事后记录图等。 同时，各个v i 的建立、存取、关闭等管理操作也均由前面板上的命令菜单来完成。 2 程序框图。 每一个前面板都有一个程序框图与之对应，程序框图用图形化编程语言编写，可以 把它理解为传统编程语言中的源代码，这正是l a b v i e w 的最大特色。程序框图由节点 ( n o d e ) 和数据连线( w i r e ) 组成。节点是v i 程序中的执行元素，类似于文本编程语言中 的语句、函数或者子程序。节点之间由数据连线按照一定的逻辑关系相互连接，来定义 程序框图内的数据流动方向。 3 图标连接端口。 图标连接端口的功能就像一个图形化参数列表，用于v i 与s u b v i 之间数据的传递。 一个v i 可以作为上层独立程序，也可以作为其它程序的子程序，实现了层次性和模块 化的编程思想。 2 5 3l a b v i e w 选板 在l a b v i e w 的用户界面上，提供的操作选板主要包括工具选板、控件选板和函数 选板，这些选板集中反映了l a b v i e w 的功能与特征【鲫。l a b v i e w 的操作选板如图2 2 所示。 1 2 中国5 油大学( 华东) 砸学位论文 i 婚 划 圈 触、 到 f n t 剑 蚓到 崮剜 型剖 型 # * 蛐 。吲剿 到型 幽剑 剜到 蚓翻 ( a ) 工具进扳 ( b ) 控制选授( c ) 函数选板 圈2 2 操作选板 f i g m0 p e 聃n o np a n e i 1 工具选板。 工具选板提供了各种用于创建、修改和调试程序的工具。如果工具选板不显示， 则可以用“查看”菜单的“显示工具选板”功能打开它，也可以在前面板的空白处，点 击鼠标右键，以弹出工具选板。工具选板中图标的定义如表2 1 所示。 表厶1 工具选扳中的圈标 囹 操作值操作前面板的控制和显示 田 选择 选择、移动或改变对象的太小 匡 编辑文本 输入标签文本或者创建自由标签 | 圈 连线在流程圈程序上连接对象 囤 对象菜单弹出对象的弹出式菜单 匝 窗口漫游在窗口中漫游 国 断点设置清除在的流程田对象上设置断点 f 围 数据探针在程序框图内的数据流线上设置探针 团颜色提取提取颜色，编辑其他的对象 2 控制选板。 控制选板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个圈标代 表一类子选板。如果控制选板不显示，则可以用“查看”菜单的“显示控件选板”功能 打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制选板。控制选扳中图标 的定义如表2 2 所示。 产剑到m鹭一剿一蚓 舯 ” 第= $ * 流采集与* 析软件* 发 表2 2 控件选板中的图标 h 杯名称功能 f 瑙 数值数值的控制和显示 型 布尔逻辑数值的控制和显示 剽 字符串与路径字符串和路径的控制和显示 蚓 数组、矩阵与簇数组和髌的控制和显示 圈 ，表与表格 列表和表格的控制和显示 劐 图形 显示数据结果的趋势图和曲线图 国 f 拉判表与杖举环与枚举的控制和显示 圜 i o 输入输出功能 回 引用旬柄 参考数 圆 修饰给前面板进行装饰的各种图形对象 3 函数选板。 函数选板是创建流程图程序的工具。该选板上的每一个顶层国标都表示一个子选 板。若函数选板不出现，则可以用“查看”菜单下的“显示函数选板”功能打开它，也 可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出函数选板。函数选板中图标的定义 如表2 3 所示。 表2 3 函数选扳中的圉标 国标名称功能 剑 结构包括程序控制结构命令 壁 数值 包括数值运算、数制转换、三角函数、对数、复数等运算 翌 布尔包括各种逻辑运算符以及布尔常数 到 字符串包括字符串操作函数、数值与字符串之间的转换函数等 卿 数组包括数组运算函数、数组转换函数以及常数数组等 ：画 簇与变体包括簇的娃理函数以及群常数等 圄 比较包括各种比较运算函数 型 定时与对话框包括对话框窗口、时间和出错处理函数等 | 剜 文件i 0包括处理文件输入输