CN101027494A - 喷射泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种流体移动器(1)，包括中空本体(2)，所述中空本体设置有横截面基本恒定的直通通道(3)，所述通道具有分别用于工作流体的进入和排出的入口(4)和出口(5)。喷嘴(16)基本环绕通道(3)并且在入口(4)端和出口(5)端中间通入通道(3)。入口(10)与喷嘴(16)连通，用于引入携带流体，混合室(3A)在喷嘴(16)的下游形成于通道(3)内。所述喷嘴的内部几何形状以及所述喷嘴出口的紧上游处的孔轮廓设置并构造成这样，即，优化所述携带流体与所述工作流体之间的能量转移。在使用中通过引入所述携带流体，使一种或多种工作流体雾化以形成在假缩流中存在局部超音速流条件的分散蒸气液滴流态，从而通过所述携带流体的冷凝而导致在下游的混合室(3A)中产生超音速冷激波(17)。本发明另外还公开了利用所述流体移动器移动和处理流体的方法。

Description

喷射泵

技术领域

本发明涉及一种使流体移动的方法及装置。

背景技术

本发明涉及对于如下流体移动器的改进，该流体移动器在从船舶推进系统到用于移动和/或混合具有相同或不同特性的流体和/或固体的泵吸应用领域都有大量不同类型的实际应用。本发明还涉及如下领域，其中包括加热、烹调、清洁、通气、气体流态化、以及流体和流体/固体混合物的搅拌、颗粒分离、分类、碎解、混合、乳化、均化、分散、浸解、水化、雾化、液滴生成、粘度降低、稀释、剪切稀化、触变性流体的运输以及巴氏消毒。

更具体地，本发明涉及提供一种实质上没有运动部件的改进型流体移动器。

在利用中心或环形射流移动工作流体或过程流体的领域，喷射器是众所周知的，该射流将蒸汽射入管道中，以便于使流体移动经过合适的管道或者移动到管道之外，或者使流体移动到另一流体中或移动通过另一流体。喷射器主要基于如下原理工作，即通常利用文丘里原理产生负压从而引入流体。这类系统多数利用中心蒸汽喷嘴，其中被引入的流体通常垂直于射流的轴线进入管道，但是也存在采用相反布置的例外情况。蒸汽射流通过扩张式喷嘴加速进入混合室，在这里蒸汽与工作流体撞击并混合。工作流体与蒸汽的混合物在发散段例如文丘里管之前的下游会聚段内被加速至更高速度。在文丘里管中产生的压力梯度导致新的工作流体进入混合室中。大多数蒸汽喷射系统中的能量转移机理是动量转移、热量转移和质量转移的组合，只是比例不同而已。很多此类系统使用与会聚流动相关联的动量转移，而其它系统涉及在发散段中产生冷激波。常规会聚/发散系统的一个主要局限在于，其性能对于冷激波的位置非常敏感，而冷激波的位置常常不稳定，容易偏离最佳位置。公知的是，如果冷激波在会聚/发散段中的错误位置形成，则相关单元(装置)很可能会停止工作。另外，这种系统只能在有限的区段内实现冷激波。

此外，对于利用中心蒸汽喷嘴的系统，影响工作流体的喉道尺寸限制和急剧方向变化对于微粒通过量的大小表现出严格的限制，当然，任何可能进入系统的粗大材料都可能导致堵塞。

在我们的国际专利申请No.PCT/GB2003/004400中描述了一种改进型流体移动器，其中一种或多种工作流体与从喷嘴装置射出的携带流体(transport fluid)的相互作用提供了该一种或多种工作流体的泵吸、夹带、混合、加热、乳化和均化等。该流体移动器将携带流体(通常为蒸汽)的环形超音速射流通过中空通道引入直径相当大的直管中。通过动量转移、高度剪切以及冷激波的产生的组合作用，高速蒸汽导致工作流体通过中空体的中心并且作用于工作流体上。

PCT/GB2003/004400描述，携带流体优选为可冷凝流体并且可以为能够以连续或非连续方式引入的气体或蒸气，例如为蒸汽。在携带流体的引入点处或该引入点附近，例如该引入点的紧下游处，产生假缩流(pseudo-vena contracta)或假会聚/发散段，这与常规蒸汽喷射器的会聚/发散段类似，但是不存在与其相关的物理限制，这是因为相关区段是通过蒸汽撞击在工作流体或过程流体上的效应而形成的缘故。因此，由于假缩流描述的柔性流体内部边界，该流体移动器比常规喷射器更通用。柔性边界位于中心的工作流体与单元的固壁之间，并且与固壁相比允许更好地适应多相流中的扰动或压力波动。这有利地降低多相流中的超音速，从而导致更好的液滴分散，增加动量转移区的长度，从而产生更强的冷激波。

PCT/GB2003/004400还公开，根据设置该流体移动器的系统的具体需要，冷激波的位置和强度是变化并且可控的。该机理依赖于为实现其高通用性和高性能而产生的效应的组合作用，包括显著的热量转移、动量转移和质量转移，其导致产生冷激波并且还通过剪切分散和/或离解而连续地提供工作流体流动的剪切。优选的是，在实际中，喷嘴的位置尽可能靠近工作流体的射出面，在这方面，为了实现所需程度的相互作用，携带流体或蒸汽与工作流体流之间的刀缘分离(knife edge separation)是有利的。喷嘴关于工作流体流的角度取向是重要的，并且可以较小。

此外，PCT/GB2003/004400还公开，所述或每个携带流体喷嘴在其内部可以具有会聚-发散的几何形状，在实际中，喷嘴构造成在通道内产生携带流体的超音速流动。对于给定的蒸汽条件，即，干度、压力和温度，喷嘴优选构造成提供蒸汽室与喷嘴出口之间的最高速度的蒸汽射流、最低的总压降以及最高的静焓。喷嘴优选构造成避免在喷嘴自身中产生任何冲击。仅仅作为示例而非作为限制，喷嘴的最佳面积比(即，出口面积：喉道面积)在1.75至7.5的范围内，夹角小于9°。

所述或每个喷嘴方便地朝向工作流体流倾斜，并且基本上面向流体移动器的出口。这有助于携带流体穿透工作流体，从而有助于工作流体的剪切或热分散。在反向温差作用明显的区域，这还可以避免通道壁上的动能耗散以及通道壁上过早的蒸汽冷凝。选择喷嘴的角度取向，从而获得最佳性能，其中该最佳性能取决于喷嘴的取向以及混合室的内部几何形状。另外，选择所述或每个喷嘴的角度取向，以便根据流体移动器所需的压力和流速控制假会聚/发散轮廓、混合室内的压力分布、焓增以及冷激波的强度或位置。此外，通过将工作流体分散到蒸气液滴相中以便于通过动量转移提高加速度，紊乱的产生对于实现最佳性能是重要的，其中紊乱的产生主要由喷嘴的角度取向决定。当流体移动器用作泵时，这一点特别重要。举例来说，但是并非作为限制，在本发明中本发明人已经发现，相对于工作流体的流动方向，所述或每个喷嘴的角度取向可以位于0°至30°的范围内。

与各个混合室段相连的一系列喷嘴可以沿通道的纵向设置，并且在该情况下，喷嘴可以具有不同的角度取向，例如角度取向从第一喷嘴朝着下游方向减小。每个喷嘴可以具有与其它一个或多个喷嘴不同的功能，例如泵吸、混合、碎解，并且在实际中可以选择性地进行操作。每个喷嘴可以构造成对工作流体产生期望的效应。此外，在多喷嘴系统中，通过引入携带流体例如蒸汽，可以实现阶段加热。该方法对于提供工作流体的逐渐加热可能是令人期望的。

发明内容

本发明的目的是通过增强高速携带流体与工作流体之间的能量转移机理而改进流体移动器的性能。这改进实质上没有运动部件的流体移动器的性能，该流体移动器具有比目前可以获得的流体移动器更佳的性能，而不存在任何如上述专利文献中所提到的现有技术中举例说明的收缩。

根据本发明的第一方面，流体移动器包括：中空本体，其设置有横截面基本恒定的直通通道，在所述通道的一端具有入口，在所述通道的另一端具有出口，所述入口和出口分别用于工作流体的进入和排出；喷嘴，其基本环绕所述通道并且在所述通道的入口端和出口端中间通入所述通道；入口，其与所述喷嘴连通，用于引入携带流体；以及混合室，其在所述喷嘴的下游形成于所述通道内；所述喷嘴的内部几何形状以及所述喷嘴出口的紧上游处的孔轮廓设置并构造成这样，即，优化所述携带流体与所述工作流体之间的能量转移，使得在使用中通过引入所述携带流体，使一种或多种工作流体雾化以形成在假缩流中存在局部超音速流条件的分散蒸气/液滴流态，从而通过冷凝所述携带流体而导致在下游的所述混合室中产生超音速冷激波。

携带流体优选为可冷凝的流体，可以为能够以连续或非连续方式引入的气体或蒸气例如蒸汽。

根据本发明的第二方面，我们的上述专利申请中所述类型的流体移动器包括：中空本体，其设置有横截面基本恒定的直通通道，在所述通道的一端具有入口，在所述通道的另一端具有出口，所述入口和出口分别用于工作流体的进入和排出；喷嘴，其基本环绕所述通道并且在所述通道的入口端和出口端中间通入所述通道；入口，其与所述喷嘴连通，用于引入蒸汽；以及混合室，其在所述喷嘴的下游形成于所述通道内；所述喷嘴的内部几何形状以及所述喷嘴出口的紧上游处的孔轮廓设置并构造成这样，即，优化所述蒸汽与所述工作流体之间的能量转移，使得在使用中通过引入所述蒸汽，使一种或多种工作流体雾化以形成在假缩流中存在局部超音速流条件的分散蒸气/液滴流态，从而通过所述蒸汽的冷凝而导致在下游的所述混合室中产生超音速冷激波。

所述喷嘴可以具有与通道的形状相应的形式，例如圆形通道将有利地设置有环绕通道的环形喷嘴。用在本文中的术语“环形”被认为包括环绕流体移动器的通道的一个或多个喷嘴的任何构造，包括圆形、非规则形状、多边形以及矩形形状的喷嘴。用在本文中的术语“环绕的”或“环绕”被认为不仅包括围绕通道的连续喷嘴，而且包括具有两个或更多个部分或完全围绕通道的喷嘴出口的非连续喷嘴。

所述或每个喷嘴在其内部具有会聚-发散几何形状，实际上，喷嘴构造成在通道内产生携带流体的超音速流动。对于给定的蒸汽条件，即干度、压力和温度，喷嘴优选构造成提供蒸汽室与喷嘴出口之间的最高速度的蒸汽射流、最低的总压降以及最高的焓。

混合室中的冷凝分布(condensation profile)确定喷嘴上的膨胀率分布。在相对较低工作流体温度以冷凝为主要形式的情况下，携带流体喷嘴的出口压力较低。当工作流体的总体温度较高时，携带流体喷嘴的出口压力更高。

根据本发明的第三方面，一种移动工作流体的方法包括：

为工作流体提供流体移动器，所述流体移动器具有横截面基本恒定的直通通道，

通过环形喷嘴对所述通道施加基本环绕的携带流体流，

使所述工作流体雾化，以形成具有局部超音速流条件的分散蒸汽液滴流态，

通过所述携带流体的冷凝在所述喷嘴下游的通道内产生超音速冷激波，

引导所述工作流体从所述通道的入口到所述通道的出口流动以通过所述通道，以及

调节步骤，其调节所述冷激波以改变从所述出口排出的工作流体。

优选的是，所述调节步骤包括调节冷激波的强度。作为选择或者除调节冷激波的强度之外，所述调节步骤包括调节冷激波的位置。

喷嘴的紧上游处的孔轮廓优选构造成促进工作流体的雾化。优选的是，在喷嘴的紧上游处在工作流体流动中引入不稳定性。

所述或每个喷嘴优选最佳地构造成与具体的工作流体、上游壁的轮廓外形以及混合室的几何形状协同起作用。喷嘴、上游壁轮廓外形以及混合室的组合构造成促进工作流体的雾化，从而产生具有局部超音速流条件的蒸气/液滴混合流。通过使携带流体与工作流体之间的表面接触最大化，而增强局部紊乱、压力梯度以及流体之间的动量转移速率和热量转移速率，这促进下游冷激波的形成。

所述或每个喷嘴优选地构造成与具体的工作流体、上游壁的轮廓外形以及混合室协同起作用，以提供最佳喷嘴出口压力。由于携带流体减速引起的初始压力恢复，与由于冷凝而引起的下游压降一起，用于确保将喷嘴膨胀率调节为增强工作流体的雾化与动量转移。

通过改变携带流体的供应压力、喷嘴的膨胀率以及混合室的中间区域中的冷凝分布，可以控制所述或每个喷嘴的出口速度。可以控制喷嘴的出口速度以提高混合室的中间区域中的动量通量率M，其中M由以下等式定义：

$M\≡\frac{({\mathrm{\ρ}}_s\×U_s^2)}{({\mathrm{\ρ}}_f\×U_f^2)}$

其中ρ＝流体密度

U＝流体速度

下标s表示携带流体

下标f表示工作流体

在本发明中，本发明人已经发现，所述或每个喷嘴的最佳动量通量率M位于2≤M≤70的范围内。例如，当使用蒸汽作为携带流体时，假如工作流体具有较高的含水量，所述或每个喷嘴的M位于5≤M≤40的范围内。

所述或每个喷嘴构造成提供轴向、径向以及切向速度分量的期望组合。正是该轴向、径向以及切向分量的组合影响工作流体流的初始紊乱破碎(雾化)以及压力梯度。

携带流体与工作流体之间的相互作用导致工作流体的雾化，该相互作用通过流动不稳定性来增强。不稳定性促进液滴从工作流体的核心流的接触表面剥除。携带流体与工作流体之间的紊乱消散层在流体上以及力学上(几何形状)上得到促进，从而确保快速的核心流消散。假缩流是该液滴雾化区所产生的效果。

所述或每个喷嘴上游的流动通道的内壁可以具有特定的形状，以提供当工作流体与携带流体接触时工作流体外表面的轴向、径向以及切向速度分量的组合。在其它因素中，正是这些速度分量的组合影响当工作流体与携带流体接触时工作流体的初始紊乱破碎(雾化)以及压力梯度。

在最佳工作条件下，工作流体核的碎解或雾化非常快。整个孔上的碎解通常在喷嘴出口下游近似相当于0.66D的距离内(但是不限于此)发生于混合室内。在不同的非最佳的工作条件下，混合室的整个孔上的碎解仍然可能在喷嘴出口下游相当于1.5D的距离内(但是不限于此)发生，其中D是通过流体移动器的中心的孔的名义直径。

在流动中出现再循环。在存在携带流体的切向速度分量的情况下，再循环尤其明显。混合室内产生的径向压力梯度是产生该流动现象的原因，该流动现象促进孔上的完全和快速的流动分散特性。

当部分建立假缩流时，即沿着混合室边界主要为蒸气液滴流时，也会产生该效果。局部压力梯度将流动物向外拉，从而产生携带流体喷嘴出口下游(通常在下游的1倍直径和2倍直径之间)的区域，在这里，工作流体的轴向流动分量停滞并且甚至可能在中心线上，即流动区的中心变为反向。

再循环在一些应用诸如乳化等中具有特定的益处。

可以沿着通道的纵向设置一系列与各个混合室段关联的喷嘴，在该情况下，喷嘴可以具有不同的角度取向，例如角度取向从第一喷嘴朝着下游方向减小。每个喷嘴可以具有彼此不同的功能，例如泵吸、混合、碎解或乳化，并且可以在应用中选择性地投入工作。每个喷嘴可以构造成对工作流体产生期望的效果。此外，在多喷嘴系统中，通过引入携带流体例如蒸汽，可以实现阶段加热。该方法对于为工作流体提供逐步加热、增强的雾化、压力梯度分布或组合效果例如增强乳化等可能是令人期望的。

另外，流动通道位于所述或每个喷嘴出口的紧上游处的内壁可以具有特定的形状，以便在工作流体与从所述或每个喷嘴喷出的携带流体相互作用之前为工作流体提供不同程度的紊乱。

混合室的几何形状由期望的设计输出性能确定，并且与设计的携带流体条件以及喷嘴几何形状相匹配。在这一方面，可以认识到，充分考虑到流体移动器的定义功能，在各种几何特征及其对性能的影响之间存在组合效果，即在各种设计以及性能参数之间存在相互作用。

根据本发明的第四方面，一种处理工作流体的方法包括：

为工作流体提供流体移动器，所述流体移动器具有横截面基本恒定的直通通道，

通过环形喷嘴对所述通道施加基本环绕的携带流体流，

使所述工作流体雾化，以形成具有局部超音速流条件的分散蒸汽液滴流态，

通过所述携带流体的冷凝在所述喷嘴下游的通道内产生超音速冷激波，所述冷激波的位置在平衡流的情况下保持基本上恒定，

引导所述工作流体从所述通道的入口到所述通道的出口流动以通过所述通道，以及

改变参数的步骤，其改变所述冷激波的位置，以改变从所述出口排出的工作流体。

改变冷激波的位置优选通过改变一组参数中至少之一来实现，所述一组参数包括：工作流体的入口温度、工作流体的流速、工作流体的入口压力、工作流体的出口压力、添加于工作流体的流体添加物的流速、添加于工作流体的流体添加物的入口压力、添加于工作流体的流体添加物的出口压力、添加于工作流体的流体添加物的温度、携带流体进入通道的角度、携带流体的入口温度、携带流体的流速、携带流体的入口压力、通道位于喷嘴下游处的内部尺寸以及通道位于喷嘴上游处的内部尺寸。

当用于描述通道时，术语“直通”包括具有穿过其中的无阻流动路径的任何通道，包括曲形通道。

流体添加物可以为气态或液态的。流体添加物不是本发明的关键要素，但是在某些情况下可能非常有益。流体添加物可以包括干燥形式的或悬浮于流体中的粉末。

所述改变参数的步骤可以包括在多种携带流体之间或者多种流体添加物之间切换。

本发明的改进可以应用于上述专利的流体移动器，并改进其在上述专利中所述的多种应用场合中的应用。这些应用场合包括从用作流体处理器(包括泵吸、混合、加热、均化等)到船舶推进，在船舶推进应用中流体移动器浸入流体中，即浸入海水或湖水或其它水体中。在流体处理应用中，可以处理多种工作流体，可处理的工作流体包括液体、带有悬浮固体的液体、浆料、油泥等。该流体移动器的直通通道的优势在于，其可以适应能够经过通道的材料。

本发明的流体移动器还可以用于增强混合、分散或水化，并且剪切机理、液滴形成和冷激波的存在所构成的组合提供实现期望结果的机理。在这点上，流体移动器可以用于混合一种或多种流体、一种或多种流体以及颗粒形式的固体，例如粉末。流体可以为液态或气态。已经发现，当混合液体与颗粒形式的粉末时，即使粉末为难以润湿的材料例如作为增稠剂的黄蓍胶，使用本发明也可以获得均匀的混合物。

可以使用至少一个流体移动器以分批模式，或者通过根据需要使用一个或多个流体移动器以串联式或连续构造，进行工作流体的处理，例如加热、定量给料、混合、分散、乳化等。

本发明的另一种应用是乳化，即通过混合两种或更多种彼此不可溶的液体而形成悬浮物，也就是说一种液体(内相)的小液滴悬浮于其它液体(外相)中。可以在不存在表面活性剂混合物的情况下进行乳化，但是在需要的情况下也可以使用。另外，由于本发明的直通性质，对于可以处理的颗粒的粒径不存在限制，在进行乳化的同时允许粒径大至单元孔径的颗粒通过。

该流体移动器还可以用于碎解，例如在造纸工业中用于碎解纸浆。典型实例是在纸循环中，其中废纸或碎片与水混合并且通过流体移动器。加热、高强度剪切机理、蒸气液滴流中的低压区以及冷激波的组合使纸纤维快速水化，并且浸解纸片和将纸片碎解成更小的尺寸。在试验中已经实现一直碎解至单纤维。同样，该流体移动器可以用于脱墨处理，其中在纸浆通过流体移动器时加热和剪切有助于从纸浆中去除墨。

本发明的直通性质具有另外的益处，即当流体移动通过时，该流体移动器提供非常小的流动限制，因此压降可忽略。在流体移动器位于过程管道中并且流体被泵吸通过该流体移动器的应用中，这一点尤其重要，例如如下情况，当本发明的流体移动器因为携带流体的供应减少或中断而“切断”时。另外，直通通道和无阻孔对于可以用于清洁管道的“清管器”或其它类似装置没有阻碍。

附图说明

下面将参照附图更好地描述能量转移机理，描述集中于因为增强的剪切机理而导致的携带流体与工作流体之间的动量转移。作为示例，下面将参照附图描述根据本发明的可以用于增强该能量转移机理的几何特征的八个实施例，其中：

图1是根据本发明的流体移动器的横截面图；

图2是图1所示剪切机理的放大图；

图3是第一实施例的横截面图；

图4是第二实施例的横截面图；

图5是第三实施例的横截面图；

图6是第四实施例的横截面图；

图7是第五实施例的横截面图；

图8是第六实施例的横截面图；

图9是第七实施例的横截面图；

图10是通过本发明流体移动器的流态的示意性剖视图；

图11是本发明流体移动器在使用中的示意图；

图12a至图12c是示意图，显示在三种不同的工作条件下本发明流体移动器中的压力；

图13是示意图，显示通过本发明流体移动器的截面，以及在两个不同的冷激波位置处流体移动器中的压力分布；以及

图14a和图14b是通过本发明流体移动器的第八实施例的局部横截面图。

具体实施方式

在说明书中相同的部件使用相同的参考标记表示。

参照图1，该图显示包括外壳2的流体移动器1，该外壳限定提供入口4和出口5的通道3，通道3具有基本恒定的圆形横截面。

外壳2包括用于引入携带流体的增压室8，增压室8设置有入口10。增压室的末端呈锥形并且限定环形喷嘴16。喷嘴16与增压室8流体连通。喷嘴16形成为在使用中产生超音速流。

在工作中，入口4与过程流体源或工作流体源相连。将蒸汽通过入口10和增压室8引入流体移动器1，从而导致蒸汽射流通过喷嘴16向前喷出。从喷嘴16喷出的蒸汽与用作混合室(3A)的通道段中的工作流体相互作用。在工作中，冷激波17在混合室(3A)中产生。

在工作中，从喷嘴喷出的蒸汽射流导致工作流体通过通道3，通道3因为其直通轴向路径并且不存在任何收缩，于是提供了尺寸基本上恒定的孔，该孔对于流动不表现出障碍。在由蒸汽和几何条件以及热量和质量转移速率确定的某些点处，蒸汽冷凝，从而导致压力降低。蒸汽冷凝在产生冷激波之前不久开始，并且以指数方式增大，最终形成冷激波17本身。

在产生冷激波之前不久产生于冷激波的初始阶段中的低压导致通过通道3强劲地引入流体。压力在产生冷激波中和产生冷激波之后快速升高。冷激波因此表现出明显的压力边界/梯度。

选择与喷嘴、上游壁轮廓以及混合室的几何特征相关联的蒸汽参数特征，用于获得从蒸汽到工作流体的最佳能量转移。第一能量转移机理是导致工作流体雾化的动量转移和质量转移。该能量转移机理通过紊乱得到增强。

图1示意性显示工作流体核的破碎或雾化机理18。

图2显示由携带流体引起工作流体的剪切和雾化机理18的放大示意图。可以认为，该机理可以细分为三个不同的区域，每个区域由所建立的紊乱机理所控制。第一区20经历携带流体与工作流体之间的第一相互作用。工作流体的表面接触层中的开尔文-亥姆霍兹(Kelvin-Helmholtz)不稳定性可以在该区域中开始产生。这些不稳定性由于剪切条件、压力梯度以及速度波动而产生，从而导致瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor)韧带破碎(ligament break-up)(又称为第二区)24。流体表面波中的二阶涡流在尺寸上可以减小至柯尔莫哥诺夫(Kolmogorov)涡流22的级别。可以认为，与瑞利-泰勒韧带破碎相关联，这些涡流的形成导致形成工作流体的小液滴28。

液滴形成阶段还可以导致紧跟随韧带破碎区的局部再循环区26。该再循环区可以通过使较大的液滴再次返回到高度剪切区中而进一步增强流体雾化。作为局部压力梯度的一个特征，该再循环可以经由携带流体的轴向、切向和径向速度和压力分量来控制。可以认为，其中该机理特别增强流体移动器的混合、乳化和泵吸能力。

因此，通过产生工作流体流动中的初始不稳定性，可以增强工作流体核的主破碎机理。在携带流体/工作流体相互作用层中特意产生的不稳定性促进流体表面紊乱耗散，从而导致工作流体核分散到后面跟随韧带液滴区的液体韧带区中，在韧带液滴区中韧带和液滴仍然经历由于空气动力学特性而产生的碎解。

现在参照图3，图1和图2所示的流体移动器在蒸汽喷嘴16出口紧上游处的区域(又称为内壁)19中设置有具有特定形状的内壁。流动通道3位于喷嘴16的紧上游处的内壁设置有锥形壁(又称为发散段)30，从而提供延伸至蒸汽喷嘴16的出口的发散轮廓。除了反向的压力梯度之外，发散壁的几何形状提供局部流动的减速，从而为边界层流动提供破裂，这转而导致在这部分工作流体流动中产生和传播紊乱。由于该紊乱在紧接工作流体与携带流体之间的相互作用之前产生，于是该区域中引发的不稳定性增强开尔文-亥姆霍兹不稳定性，因此，更快速地出现如前面说明部分所预言的韧带和液滴形成。

可选实施例示于图4中。同样，图1和图2所示的流体移动器在流动通道3位于喷嘴16的出口紧上游处设置有具有特定形状的内壁19。该实施例中的特定形状的表面由孔表面上的发散段30提供，该发散壁延伸至蒸汽喷嘴16的出口，但是在锥形部分之前设置有台阶32。在使用中，该台阶导致在锥形段之前孔的直径突然增大。台阶“绊倒”流动，从而导致在紧接工作流体与从蒸汽喷嘴16喷出的蒸汽相互作用之前在发散段内的工作流体中出现涡流和紊流。这些涡流增强了导致韧带形成和快速流体锥分散的初始波不稳定性。

锥形发散段30可以在一定的角度范围内呈锥形，并且可以与孔的壁平行。甚至可以想到，发散段30可以呈锥形，以提供会聚的几何形状，渐缩至与蒸汽喷嘴16相交的位置处的直径，该直径优选不小于孔的直径。

图4所示实施例显示为初始台阶32与孔3的轴线成90°角。作为该构造的一种替代形式，台阶32的角度可以显示出适合于“绊倒”流动的更小或更大的角度。同样，发散段30可以以不同的角度呈锥形，甚至可以与孔3的壁平行。作为选择，发散段30可以呈锥形，以提供会聚的几何形状，渐缩至与蒸汽喷嘴16相交的位置处的直径，该直径优选不小于孔的直径。

图5至图8示出可选的具有特定形状的外形轮廓的实例。全部这些实例都是期望在紧接工作流体与从喷嘴16喷出的携带流体相互作用之前在工作流体流动中产生紊乱。

图5和图6所示的实施例包括位于锥形或平行段30的紧前面的单个或多个三角形横截面的凹槽34、36，该锥形或平行段转而位于蒸汽喷嘴16的出口的紧前面。

图7和图8所示的实施例包括位于蒸汽喷嘴16的出口上游较短距离处的单个或多个三角形横截面的凹槽38和/或正方形横截面的凹槽40。这些实施例显示为在凹槽之后没有锥形发散段。

尽管图1至图8示出凹槽和锥形段的几种组合，但是，可以想到，也可以使用这些特征的任何组合或任何其它的凹槽横截面形状。

锥形段30和/或台阶32和/或凹槽34、36、38、40可以围绕孔实质上为连续的或非连续的。例如，一系列锥形段和/或凹槽和/或台阶可以以分段或“锯齿”布置方式围绕孔的外周布置。

下面将参照图10更详细地描述本发明的流体移动器中的流态的本质。

携带流体(通常为蒸汽80)以超音速通过喷嘴16进入。无论在何处使用术语“蒸汽”，都理解为该术语还可以适用于其它携带流体。工作流体(通常为液体82)以亚音速流入入口4。在喷嘴16处存在亚音速液核84，该亚音速液核由蒸汽80与分散区88之间通常猛烈的或者湍急的锥形界面限定边界。当蒸汽80离开喷嘴16，蒸汽表现出局部冲击膨胀波86，并且形成假缩流90。液核加速分散(或离解)区88以局部超音速流入蒸气液滴区92，在该蒸气液滴区，蒸气为蒸汽并且液滴为工作流体。在超音速冷凝区(超音速低密度区)94和亚音速冷凝区96中产生冷凝。当局部超音速冷凝区94中引发的冷凝达到指数级时，产生冷激波17。位于冷激波17紧后面的区域96具有高得多的密度，因此为亚音速的。冷激波17于是限定这两种密度之间的界面。

在冷凝区96之后的液相98中存在小的蒸气泡。可以通过调节本文所述的多个参数中之一而在距离L上控制冷激波的位置。

主液核的破碎和分散产生液滴蒸气区。主液锥面18上的任何液体不稳定性被放大而形成“波”。这些波被进一步拉长以形成经历瑞利-泰勒破碎的韧带，从而导致形成小液滴28、分离的韧带24以及较大的液滴。

因此，第二区24的特征在于有效流体表面积的快速增大。然后，这些具有不同尺寸的液滴28经历几种空气动力学及热效应，这最终导致液滴28破碎成反映该区域中的紊乱程度的尺寸。这导致限定流体移动器中的流态的蒸气液滴区。

粘性子层的厚度向下游增加，从而最终延伸穿过整个孔，这些粘性子层包括高速蒸气/气体以及液滴或韧带形式的局部夹带液体。由于流动实质上具有蒸气液滴一致性，该区域中的紊乱因为剪切(速度梯度)和涡流(大尺度至柯尔莫哥诺夫尺度)而产生。在气体/液体分界面中存在高度剪切。

因为进一步的颗粒破碎，在该第二区24中转移大量能量。由于剪切力和热不连续性导致液滴变得更小，于是发生质量转移。压力降低，并且液滴蒸发，以便于保持流动平衡。由于达到平衡条件，于是发生热转移，从而确保在通道3的混合段中发生液体蒸气相转变以及反向转变。在第二区中，空隙率存在非常快速的增加。

$\mathrm{\α}=\frac{A_g}{A_{\mathrm{Tot}}}$

其中α＝空隙率

A_g＝气相(分散锥)的面积

A_Tot＝泵流的总面积

因此，由于液滴/韧带进一步分散，一定体积中的快速增加显然将导致更大的空隙率。随后，由于流动条件开始接近平衡状态，并且由于混合室内的几何形状，蒸气流被促使为遵循朝向空气动力学和冷激波的冷凝分布，这是非平衡及熵产生区。

冷激波因为从二相流体混合物到蒸气相完全冷凝的基本单相流体的快速改变而产生。因为在蒸气液滴混合物中并非唯一地不存在音速，因此可以产生动量、质量和能量的非平衡和平衡交换。为了获得正冷激波，混合室内蒸气混合物的速度必须保持在由平衡音速限定的某一值之上。对于蒸气速度大于冻结音速或者蒸气混合物的速度位于平衡音速与冻结音速之间的情况，这导致分散或局部分散的冷激波。这两个渐近音速(asymptotic sonic speed)是：

a_e＝平衡冲击速度。这是每一种流体处于其正确的平衡条件(即，蒸气为蒸气，液体为液体)时的速度。

a_f＝冻结冲击速度。这主要因为“滞后”效应而产生，以至于一些流体不处于其正确的相中，例如局部温度和压力指示蒸气应该转变为液体，但是相变还没有发生。

a_f和a_e如下定义：

$a_f=\sqrt{\mathrm{\γ}\·R_v\·T_s}$

$a_e=\sqrt{\frac{\mathrm{\χ}\·\mathrm{\γ}\·R_v\·T_s}{\mathrm{\γ}[1-\frac{R_v\·T_s}{h_{\mathrm{fg}}}(2-\frac{c\·T_s}{h_{\mathrm{fg}}})]}}$

其中 $c={\mathrm{Cp}}_v+\frac{\left(\frac{1-\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\ϵ}}\right)}{{\mathrm{Cp}}_f}$

γ＝比热的比率(蒸气和流体)

R_v＝蒸气相(蒸汽)的气体常数

T_s＝混合物(蒸气和流体)的饱和温度

Cp＝比热

H_fg＝蒸发潜热

χ＝初始蒸气干度

ε＝蒸气组分(气体/液体)

下标v，表示蒸气(蒸汽)

下标f，表示流体(例如，液体)

当蒸气相与液滴之间的质量、动量和能量的界面输运完全冻结时，也就是当液滴不参与流体力学过程时，冻结流产生。

当蒸气和液体的速度和温度处于平衡时，产生平衡流，并且由于蒸气，局部压力等于与流动温度对应的饱和压力。

通过进一步细分为三个子区可以更好地理解第二流态。

第二流态的第一子区是液滴破碎子区。在第一区中，液核被剥除以形成液滴蒸气区，并且是位于表面上的韧带和液滴被剥除，与第一区中一样，在第二区中存在对这些分离韧带的进一步破碎或分散，并且还存在液滴的破碎，其特性在湍流区中是不稳定的。造成第二区中的破碎的主要机理在于，因为蒸气和液体之间的滑移速度而导致的液滴加速或动量转移。本发明中的蒸气的射入速度对于流态的该功能方面是重要的。如果需要，可以使用在下游交错的多个喷嘴来促进该方面。可以选择其它参数诸如喷嘴角度和混合室几何形状等，以建立期望的流动条件。

该区域中的典型破碎机理取决于局部速度滑移条件以及各个工作流体特性。这些因素集中在一个无量纲数中，称为空气动力学韦伯数，其定义为：

$\mathrm{We}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_v\·{(U_f-U_v)}^2\·D_f}{{\mathrm{\σ}}_f}$

其中ρ_v＝蒸气密度

U＝速度

D_f＝流体的水力直径

σ_f＝流体的表面张力

本发明的流体移动器中的典型破碎机理是：振动破碎，其在特征长度大于稳定长度的韧带和液体中可以发现；灾变破碎(catastrophic break-up)，其在We≥350的情况下在液体蒸气剪切层中特别常见；波峰剥除(wave crest stripping)，其通常在We≥300的情况下液滴因为自身尺寸而经历导致椭圆形状的较大空气动力时出现；以及短剥除(short stripping)，其通常在We≥100情况下在子液滴和附属液滴已经跟随韧带剥除和分散而形成时为主要破碎机理。

与本发明中通常的情况一样，周围气体的紊乱运动，特别是在雷诺(Reynold)数较大(Re＞10⁴)时，将导致大量局部能量耗散以及伴随的液滴破碎。因为这些紊乱波动而产生的波动动力学压力在液滴破碎中起主要作用，但是非常重要的是，正是该能量确保流动中的流体特别高效地分散和混合。

紊乱压力波动导致剪切力，该剪切力能够使纤维或细丝断裂并且使粉末块或类似的固态或半固态物质消散。在第一区的能量中，与液锥分散相关联，质量转移和动量转移通过更明显的边界发生。在第二破碎区中，与流动中的紊乱消散区紧密关联，该转移与紊乱强度直接相关。

尽管在特性上与紊乱消散子层相似，但是热边界层呈现出有效的边界，在边界处，蒸发/冷凝和能量转移在平衡状态或“冻结”状态中出现。

始于主锥消散中的界面输运在第二蒸气液滴区中继续，并且其特征在于，根据压力和速度、蒸汽喷嘴的物理几何形状和混合室几何形状，通过蒸气引入条件，在本发明的流体移动器中得到增强的不同的机理。这导致连续的表面更新过程，该过程与紊乱一起导致一系列各种尺度的更新涡流。这些涡流产生爆裂，这些爆裂因为液体蒸气与形成于经历进一步破碎的韧带和液滴上的波之间的相互作用而产生。这些爆裂具有一个时间段，该时间段为界面剪切速度的函数。这些爆裂大大促进混合、热输运以及乳化(液滴尺寸减小)。

第二流态的第二子区是过冷蒸气液滴区。由于蒸气混合物流动通过本发明的流体移动器，其速度分布通过流体相互作用以及静压梯度而调节，静压梯度由于流动的一般性减速而逐渐产生。超音速流的该受控扩散、与离散几何形状相关联的自然流体及热动力学相互作用的平衡导致蒸气液滴态，其中过冷液滴存在于以蒸气为主的相中。该冻结混合物的过冷状态增强，直到液滴成核，并因此非常快速地开始出现冷凝。最大过冷点(威尔逊点)确定成核速率开始快速出现并且达到接近指数速率时的点，该成核速率密切地决定于因为冷凝可以获得的表面积而导致的过冷。因此，本发明的流体移动器中的蒸气液滴区能够在非常短的区域内达到接近热动力学平衡。

本发明的流体移动器专门利用通过几何形状和伪几何条件而产生的几何条件，以确保临界过冷状态上游的流动条件偏离热动力学平衡。这确保期望的蒸气液滴区保持其期望的液滴破碎、颗粒分散以及热转移效应。

流体从主流体锥到蒸气区的快速加速导致膨胀波，该膨胀波类似地表现出热动力不连续性，并且允许蒸气液滴区显著偏离平衡并且进入“冻结”流条件。

图9示出本发明的流体移动器的一个实施例，其中通道3的几何形状具有混合室3A，该混合室具有发散区50、等径区52以及再会聚轮廓区54。图9所示的实施例保留了等径通孔，但是促进膨胀和非平衡。这提供了优秀的颗粒分散以及良好的流动、压头以及泵吸条件。

第二流态的第三子区是冷激波区。由于流体移动器内的过冷蒸气液滴流态，指数冷凝开始出现的点限定了冷激波边界。冷激波上游的混合物条件确定流体移动器内经历的压力和温度恢复的性质。

尽管在冷激波上存在熵增，但是冷激波上的相变显然导致从蒸气相移走热量。本发明的流体移动器中的理想工作条件与称为离散的正冷激波的形成一致，正冷激波沿着X轴测量的尺寸由于相当快速而可以忽略。

参照图12可以更好地理解本发明的流体移动器中的流体流动的本质，该图示出流体移动器中的压力p在沿着轴向的长度x上的分布。下面引用前面定义的两个冲击速度a_e和a_f。

图12a示出条件A并且表示U_mixturc＞a_e的情形，其中U_mixture是蒸气液滴混合物的速度。

这导致正冷激波，其中在冷激波上压力相当快速地升高。所产生的出口压力高于蒸汽进入流体移动器的孔中的蒸气入口处的局部压力。

图12b示出条件B并且表示a_f＞U_mixture＞a_e的情形。在该情况下，混合物速度高于平衡冲击速度但是小于冻结冲击速度。在该条件下，冷激波完全分散，从而导致在冷激波上的压力升高更平缓。

图12c显示条件C并且表示U_mixture＞a_f的情形。在该情况下，“不稳定”条件出现，其中蒸汽不会完全冷凝。这称为部分分散冷激波。这导致开始形成冷激波(陡度合理的压力梯度)，冷激波形成“停止工作”然后再次重新开始。然而，本发明人已经发现，最终所产生的出口压力通常高于条件A或条件B中的出口压力。

存在几种机理用于确定流体移动器中流态的状态，并且利用控制系统中的该信息提供最好地满足应用需要的流态。例如，可以测量沿着混合室长度的某一点处的温度，以判断蒸气液滴区的存在。因为混合室壁可以为较薄的部分，从而允许快速响应条件变化，因此这种方法是非侵入性的。彼此上下游间隔的多个温度探测器可以用于监视冷激波的位置，并确定冷激波分布的状态。

作为另一个例子，可以使用压力传感器确定冷激波的位置。

参照图13和图14，图中示出使用一系列压力传感器检测混合室中冷激波的位置的方法。当冷激波17位于表示为第一种情况的位置17A，即位于通道3的会聚轮廓部分3C中时，压力分布以参考标记101示出。当冷激波17位于表示为第二种情况的位置17B，即位于通道3的均匀轮廓部分3B中时，压力分布以参考标记102示出。通道3中的压力传感器P1、P2和P3可以用于测量沿着通道的三个位置103、104和105处的压力。这些位置处的压力测量值可以用于确定冷激波17的位置。根据所需的流动剖面，可以改变如前所述的一个或多个参数，以改变流动剖面和冷激波17的位置。

图14a示出典型的压力传感器，但是可以理解，这不是限制性的，可以使用任何合适的压力传感器或测量装置。因为该测量技术只需要测量压力的变化而不需要进行校准以测量准确值，因此测量混合室内压力的该方法特别适合于冷激波检测。

混合室3A衬有由合适的材料诸如不锈钢等构成的薄壁内衬107。薄油层108填充衬套107与混合室3A的内壁106之间的间隙。压力传感器P1设置为穿过混合室的壁106，并且与薄油层108接触。当混合室3A内的压力变化时，衬套107少量膨胀或者收缩，从而增大或减小薄油层108中的压力，该压力由压力传感器P1检测。

在图14b所示的实施例中，将衬套107分段，使得油被固定在衬套上的壁109隔开。这获得分离的各个油室108A、108B，每个油室具有自己的压力传感器P1、P2。可以沿着混合室3A的壁106布置多个分离的室和压力传感器。

该测量装置布置方法的优势在于，衬套107提供无阻内孔，没有任何缝隙或其它可能被工作流体或其它携带材料滞塞于其中的特征。这一点特别适用于食品工业中的应用。另外，压力传感器P1不会受到污染，不会遭受磨损或磨蚀，并且不会被堵塞。

另一种监视冷激波的可行方法是利用声音信号。由于混合室中的密度变化，甚至在粉末添加的过程中，也可以确定表示蒸气流的流动“状态”，因此可以确定产生冷激波的条件。用于确定流体移动器中的流态状态的机理当然可以进行组合。

图11示出具有多种用于控制流动参数的控制装置的流体移动器1的一个实施例。入口4与工作流体阀66流体连通，该工作流体阀可以用于控制工作流体的流速和/或入口压力。加热装置或冷却装置(未示出)可以设置在工作流体阀66的上游或下游，以控制工作流体的入口温度。出口5与可选的工作流体排出阀68流体连通，该工作流体排出阀可以用于控制工作流体的出口压力。

可以控制携带流体源62诸如蒸汽发生器，以提供通过运输通道64到达增压室8的携带流体。携带流体源62可以用于控制携带流体的入口温度和/或流速和/或入口压力。

可以安装一个或多个喷嘴16，用于进行可调节的运动，使得可以使用喷嘴角度控制装置(未示出)控制携带流体进入通道的角度。

喷嘴16下游的通道的内部尺寸可以通过活动壁段60进行调节，该活动壁段可以在沿着混合室3A的多个区段处将混合室壁轮廓在会聚、平行和发散之间改变。

可以提供添加流体源70，以便为工作流体添加一种或多种流体。添加流体阀72可以用于控制添加流体的流速，包括根据需要切断或接通流动。可以为添加流体设置单独的加热装置，该添加流体可以为加热的液体、气体诸如蒸汽等或者混合物。添加物可以为粉末，并且可以从辅助料斗通过阀装置引入。

可以设置控制装置诸如微处理器等，以根据需要控制上述参数中的一些或全部。控制装置可以与监视冷激波的冷凝监视装置诸如压力传感器P1、P2、P3等或任何其它传感装置例如温度或声音传感器连接。

本发明的流体移动器的通用性允许其应用于工作条件范围广泛的很多不同的应用场合。现在将作为示例描述这些应用中的两种，以举例说明本发明的流体移动器的工业实用性。

第一个应用是活化淀粉的方法。携带流体与工作流体之间的能量转移的性质为在淀粉活化中的应用提供了巨大的优势。由于热的携带流体与工作流体之间的均匀混合，实现流体之间非常高的热转移速率，从而导致快速加热工作流体。另外，单元内的高能量强度，特别是蒸汽与工作流体之间的高动量转移速率导致工作流体上的高剪切力。因此，该热量和剪切的组合作用导致淀粉活化得到增强。

该流体移动器可以包含在分批或单程流体处理构造中。可以使用一个或多个流体移动器，其可能顺序地安装在单个管道构造中。单个流体移动器可以泵吸、加热、混合以及活化淀粉，或者可以使用单独的泵使工作流体通过流体移动器。作为选择，可以顺序地使用两个或更多个流体移动器，每个流体移动器可以构造并优化以发挥不同的作用。例如，一个流体移动器可以构造成泵吸和混合(并且进行一些初步加热)，而在第一流体移动器的下游串联安装的第二流体移动器可以优化为进行加热。

流体移动器内的能量强度是可以控制的。通过控制蒸汽和/或工作流体的流速，可以减小强度以便允许缓慢加热工作流体，并且提供低得多的剪切强度。例如，这可以用于提供对工作流体的缓慢加热，从而将一批工作流体保持在恒定的温度，而不导致任何剪切稀化。

该方法还可以用于截留、混合、分散和溶解食品工业中常用的其它难以润湿的粉末诸如果胶等。果胶通常用于使食品变浓或者形成凝胶，并且通过热量而活化。在存在钙离子的情况下，一些果胶形成热可逆性凝胶，而在存在足够的糖的情况下，其它一些果胶则快速形成热不可逆性凝胶。由流体移动器提供的强烈的混合、搅拌、剪切和加热增强这些凝胶化处理。

仅仅作为示例，流体移动器已经在65kg批量番茄酱的制造中用于泵吸、混合、均化、加热(烹调)并活化淀粉。常规处理需要将番茄酱加热至85℃以活化淀粉。本发明人已经发现，利用该流体移动器混合、加热和处理该番茄酱，淀粉在低得多的配合料温度(70℃)下活化。将该加热需求方面的节省与流体移动器提供的高效混合和加热相结合，与常规罐式加热和搅拌方法相比，可以将总处理时间减少高达95％。

另外本发明人已经发现，该流体移动器活化的混合物中的淀粉百分比比常规方法更高。对于含有高度改性淀粉的食品混合物，这是不常见的，时常会有较高百分比(超过50％)的淀粉保持未活化。活化更高百分比的淀粉提供了明显的商业优势，即减少为达到目标粘度而不得不添加到混合物中的淀粉量。对于(相当)昂贵的果胶已经观察到类似的效果。减少不得不添加到混合物中的果胶量为处理过程提供了巨大的成本节省。

作为选择，该方法还可以用于酿酒工业。酿酒过程需要快速混合、加热和水化称为磨粉(grist)的磨碎麦芽，并且活化淀粉。本发明人已经发现，这可以利用本发明中所述的方法实现，另外的优势是保持酶和磨粉皮的完整性。保持混合物中酶的完整性是重要的，因为在后面的过程中需要它们将淀粉转化为糖，同样，需要皮具有一定的粒径，以便在后面的过滤过程中形成有效的滤饼。

作为示例提供的第二个应用是利用本发明的流体移动器改进生质酒精(生物燃料)的方法。蒸汽与工作流体之间的能量转移的性质为在生质酒精制造中的应用提供了巨大的优势。由于热的携带流体(蒸汽)与工作流体之间的均匀混合，实现流体之间非常高的热转移速率，从而导致快速加热工作流体。另外，单元内的高能量强度，特别是蒸汽与工作流体之间的高动量转移速率导致工作流体上的高剪切力。

可以顺序地使用两个或更多个流体移动器，每个流体移动器可以构造并优化以发挥不同的作用。例如，一个流体移动器可以构造成泵吸和混合(并且进行一些初步加热)，而在第一流体移动器的下游串联安装的第二流体移动器可以优化为进行加热和浸解。

与常规方法相比，利用本发明中所述的方法，可以更快速并且更有效地实现在生物量中混合、加热、水化以及浸解碳水化合物聚合物的过程。利用高度剪切以及冷激波的存在使得可以将活性化学组分或生物组分与碳水化合物聚合物更有效地均匀混合，从而在植物物质开始碎解时通过泵吸植物物质而改进接触。尽管本发明中所述的方法使用高温和高度剪切，但是其仍然适合用于酶水解过程中，而不破坏酶。

本发明的流体移动器的形状可以为适合于具体应用的任何方便的形状。因此，本发明的流体移动器可以为圆形、曲线形或直线形，以便于将流体移动器适合于具体的应用或进行尺寸缩放。本发明的改进可以应用于任何形式的流体移动器。

因此，本发明的流体移动器在不同特点的各行业中具有广泛的可应用性，包括从产业链一端的食品工业到产业链另一端的废品处理行业。

当将本发明应用于上述专利的流体移动器时，本发明提供特别增强的乳化和均化能力。将本发明的流体移动器以直流方式布置，也可以进行乳化，从而不需要进行多段处理。在这点上，利用改进的剪切机理还增强了不同液体和/或固体的混合，如前所述，剪切机理影响混在一起的组分之间必需的均匀接触。

工作流体分散区内的局部紊乱提供多种不同流体和材料(例如粉末和油)的快速混合、分散和均化。

借助利用蒸汽作为携带流体，可以采用流体移动器利用本发明实现流体和/或固体的加热，当然，在这一点上，本发明具有多种能力：能够泵吸、加热、混合和碎解等。

例如，本发明的流体移动器可以用于香精提取过程例如咖啡因的提取等。在该例子中，流体移动器可以用于泵吸、加热、截留、水化并均匀混合多种芳香族化合物材料与液体(通常为水)。

本发明的蒸气-液滴流动区为粉末的水化提供了特别的优势。甚至是非常难以润湿的亲水性粉末例如果阿胶也可以在该蒸气液滴区中截留并分散于流体介质中。

如上所述，本发明的流体移动器在其工作模式和其相关的多种应用中具有多种优势。例如，具有基本恒定横截面并且孔径不缩小至小于孔入口的流体移动器的“直通”性质意味着，不仅容易运输含有固体的流体，而且任何粗大材料都将无阻地通过流体移动器。本发明的流体移动器能够适应各种粒径，因此不像常规喷射器那样受到限制，那些常规喷射器由于它们的物理会聚段的限制性质而受到限制。

可以在不脱离所附权利要求书所限定的本发明范围的情况下包括各种修改和改进。

Claims (12)

1.一种流体移动器，包括：

中空本体，其设置有横截面基本恒定的直通通道，在所述通道的一端具有入口，在所述通道的另一端具有出口，所述入口和出口分别用于工作流体的进入和排出；

喷嘴，其基本环绕所述通道并且在所述通道的入口端和出口端中间通入所述通道；

入口，其与所述喷嘴连通，用于引入携带流体；以及

混合室，其在所述喷嘴的下游形成于所述通道内；

其中，所述喷嘴的内部几何形状以及所述通道的位于所述喷嘴出口的紧上游处的孔轮廓设置并构造成这样，即，优化所述携带流体与所述工作流体之间的能量转移，使得在使用中通过引入所述携带流体，使一种或多种工作流体雾化以形成在假缩流中存在局部超音速流条件的分散蒸气/液滴流态，从而通过所述携带流体的冷凝而导致在下游的所述混合室中产生超音速冷激波。

2.根据权利要求1所述的流体移动器，其中，

所述通道为基本圆形的通道，所述喷嘴为基本环绕所述通道的环形喷嘴。

3.根据权利要求1或2所述的流体移动器，其中，

所述喷嘴在其内部具有会聚-发散几何形状。

4.根据权利要求4所述的流体移动器，其中，

所述喷嘴构造成在所述通道内导致携带流体的超音速流。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的流体移动器，其中，

所述通道的位于所述喷嘴的紧上游处的孔轮廓构造成促进工作流体的雾化。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的流体移动器，包括：

多个喷嘴，其基本环绕所述通道并且在所述通道的入口端和出口端中间通入所述通道；

多个入口，每个入口与相应的喷嘴连通，用于引入携带流体；以及

多个混合室，每个混合室在相应的喷嘴的下游形成于所述通道内。

7.一种移动工作流体的方法，所述方法包括如下步骤：

为所述工作流体提供流体移动器，所述流体移动器具有横截面基本恒定的直通通道；

通过环形喷嘴对所述通道施加基本环绕的携带流体流；

使所述工作流体雾化，以形成具有局部超音速流条件的分散蒸汽和液滴流态；

通过所述携带流体的冷凝在所述喷嘴下游的通道内产生超音速冷激波；

引导所述工作流体从所述通道的入口到所述通道的出口流动以通过所述通道；以及

调节步骤，其调节所述冷激波以改变从所述出口排出的工作流体。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，

所述调节步骤包括调节所述冷激波的强度。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，

所述调节步骤包括调节所述冷激波的位置。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，还包括如下步骤：

在所述喷嘴的紧上游处在所述工作流体流中引入不稳定性。

11.一种处理工作流体的方法，所述方法包括如下步骤：

为所述工作流体提供流体移动器，所述流体移动器具有横截面基本恒定的直通通道；

通过环形喷嘴对所述通道施加基本环绕的携带流体流；

使所述工作流体雾化，以形成具有局部超音速流条件的分散蒸汽和液滴流态；

通过所述携带流体的冷凝在所述喷嘴下游的通道内产生超音速冷激波，所述冷激波的位置在平衡流的情况下保持基本上恒定；

引导所述工作流体从所述通道的入口到所述通道的出口流动以通过所述通道；以及

改变所述冷激波的位置，以改变从所述出口排出的工作流体。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中，所述携带流体为蒸汽。

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