CN101247859B - 高速低压发射器 - Google Patents

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Abstract

这里公开了一种发射器，用于将夹带在气体流中的液体雾化并排出。该发射器具有喷嘴，该喷嘴的出口面对偏转器表面。该喷嘴朝着该偏转器表面排出气体射流。该发射器具有导管，该导管的出口孔邻近该喷嘴出口。从该孔排出液体，并夹带在气体射流中，该液体在该气流射流中雾化。还公开了一种操作该发射器的方法。该方法包括在出口与偏转器表面之间形成第一激波阵面，在偏转器表面附近形成第二激波阵面，并且在从该发射器排出的液体-气体流中形成多个菱形激波。

Description

高速低压发射器
相关申请的交叉引用
本申请基于美国临时申请No.60/689864(申请日为2005年6月13日)和美国临时申请No.60/776407(申请日为2006年2月24日)，并要求它们的优先权。
技术领域
本发明涉及用于喷射雾化液体的装置，该装置将液体注入气流中，液体在该气流中雾化，并从该装置喷射出。
背景技术
诸如共振管之类的装置用来为各种目的雾化液体。该液体可以是燃料，例如，该燃料喷射到喷气发动机或火箭发动机或水中，在灭火系统中从喷洒头喷出。共振管使用由气体射流与空腔之间的振荡压力波的相互作用所产生的声能，来雾化注入共振管附近区域(在该区域中有声能)中的液体。
具有已知设计和工作模式的共振管通常不具有在防火应用中所需要的有效的流体流特征。来自共振管的流体流的量并不足够，由雾化处理产生的水微粒具有相对较低的速度。因此，这些水微粒在喷洒头的大约8至16英寸范围内明显减速，且不能克服由火产生的升高的燃烧气体羽流。因此，水微粒不能到达火源以有效灭火。而且，通过雾化产生的水微粒的尺寸不能够降低氧含量，以在环境温度低于55℃时灭火。另外，已知的共振管需要在高压下供给相对较大气体量。这产生不稳定的气流，该气流产生显著的声能，并与偏转器表面(该气体横过偏转器表面运行)分离，从而导致水不能高效雾化。因此显然需要这样一种雾化发射器，该雾化发射器比已知的共振管更高效地工作，因为该发射器使用更低压力和更少量的气体，以便产生足量的雾化水微粒，该水微粒有更小的尺寸分布，同时在排出时保持足够动量，这样，水微粒可以克服火的烟羽，并在灭火时更有效。
发明内容
本发明涉及一种发射器，用于将夹带在气体流中的液体雾化并排出。该发射器可连接成与该液体的增压源以及该气体的增压源成流体连通。该发射器包括喷嘴，该喷嘴具有进口和出口，该进口可连接成与该增压气体源流体连通。导管可连接成与该增压液体源流体连通，该导管具有出口孔，该出口孔定位成邻近该出口。偏转器表面定位成面向该出口并与其间隔开，该偏转器表面具有第一表面部分和第二表面部分，该第一表面部分定向成基本垂直于该喷嘴，该第二表面部分定位成邻近该第一表面部分，并定向成并不垂直于该喷嘴。该液体可从该孔排出，且该气体可从该喷嘴出口排出。该液体由该气体夹带，并雾化形成液体-气体流，该液体-气体流撞上该偏转器表面，并流动离开该偏转器表面。该发射器构造且工作成这样，即，在该出口与该偏转器表面之间形成第一激波阵面，并且邻近该偏转器表面形成第二激波阵面。该液体在其中一个激波阵面处被夹带。该喷嘴构造且工作成形成过度膨胀的气流射流。
本发明还包括一种操作该发射器的方法，该方法包括：
从该孔排出该液体；
从该出口排出该气体；
在该出口与该偏转器表面之间形成第一激波阵面；
在该偏转器表面附近形成第二激波阵面；
将该液体夹带在该气体中，以便形成液体-气体流；以及
将该液体-气体流从发射器发射。
该方法也可包括形成从该发射器的喷嘴出来的过度膨胀的气流射流，并在该液体-气体流中形成多个菱形激波。
附图说明
图1是按照本发明的高速低压发射器的纵剖图；
图2是表示图1中所示的发射器的部件的纵剖图；
图3是表示图1中所示的发射器的部件的纵剖图；
图4是表示图1中所示的发射器的部件的纵剖图；
图5是表示图1中所示的发射器的部件的纵剖图；
图6是表示从发射器发出的流体流的视图，它基于图1中所示的发射器在工作时的纹影照相；以及
图7是表示发射器的另一实施例的预测流体流的视图。
具体实施方式
图1表示了本发明的高速低压发射器10的纵剖图。发射器10包括具有进口14和出口16的收敛喷嘴12。对于很多应用来说，出口16的直径可以在大约1/8英寸至大约1英寸的范围内。进口14与增压气体供给源18成流体连通，该增压气体供给源18以预定压力和流量向该喷嘴供给气体。优选是，该喷嘴12有弯曲收敛的内表面20，但是其它形状(例如线性渐缩表面)也是可行的。
偏转器表面22定位成与喷嘴12间隔开，从而在该偏转器表面与喷嘴出口之间形成间隙24。该间隙的尺寸范围可以在大约1/10英寸至大约3/4英寸之间。该偏转器表面22通过一个或多个支脚26而保持与喷嘴间隔开。
优选是，该偏转器表面22包括：平表面部分28，该平表面部分28与喷嘴出口16基本对准；以及倾斜表面部分30，该倾斜表面部分30与平表面部分邻接并环绕该平表面部分。平部分28基本垂直于来自喷嘴12的气流，并且其最小直径大约等于该出口16的直径。倾斜部分30定向成与扁平部分成后掠角32。该后掠角的范围可以在大约15°至大约45°之间，并且它与间隙24的尺寸一起确定了来自发射器的流体流的分散型式。
偏转器表面22可以有其它形状，例如图2中所示的弯曲上边缘34和图3中所示的弯曲边缘36。如图4和5中所示，偏转器表面22还可以包括由平部分40和后掠倾斜部分42(图4)或弯曲部分44(图5)包围的封闭端共振管38。该共振腔的直径和深度可以大约等于出口16的直径。
再参考图1，环形腔室46包围喷嘴12。腔室46与增压液体供给源48流体连通，该增压液体供给源48以预定压力和流量向该腔室提供液体。多个导管50从腔室46伸出。各导管有出口孔52，该出口孔52定位成靠近该喷嘴出口16。该出口孔的直径在大约1/32英寸和大约1/8英寸之间。优选是，当沿着径向线从喷嘴出口16的边缘至出口孔的最靠近边缘测量时，喷嘴出口16与出口孔52之间的距离范围在大约1/64英寸至大约1/8英寸之间。液体(例如用于灭火的水)从增压供给源48流入腔室46，并流过导管50，从各孔52离开，在该孔52处，由来自增压气体供给源的气流将该液体雾化，该气流流过喷嘴12并通过喷嘴出口16离开，如下面详细所述。
当发射器10构造成用在灭火系统中时，发射器10设计成在这样的条件下进行工作，即，喷嘴进口14处的优选气体压力在大约29psia至大约60psia之间，以及腔室46中的优选水压力在大约1psig与大约50psig之间。适合的气体包括氮气、其它惰性气体、惰性气体的混合物以及惰性气体与化学活性气体(例如空气)的混合物。
下面参考图6介绍发射器10的工作，图6是基于工作中的发射器的纹影照相(schlieren photography)的视图。
气体45以大约马赫数1.5离开喷嘴出口16，并撞上该偏转器表面22。同时，水47从出口孔52排出。
气体45与偏转器表面22之间的相互作用在喷嘴出口16与偏转器表面22之间形成第一激波阵面(shock front)54。激波阵面是从超音速向亚音速的流动转变区域。离开孔52的水47并不进入该第一激波阵面54的区域。
第二激波阵面56形成于平表面部分28与倾斜表面部分30之间的边界处的偏转器表面附近。从孔52排出的水47由第二激波阵面56附近的气体射流45夹带，从而形成液体-气体流60。一种夹带方法是利用该气体射流中的压力与周围环境之间的压力差。菱形激波(shockdiamond)58形成于沿倾斜部分30的区域中，该菱形激波被限制在该液体-气体流60内，该液体-气体流60从发射器向外且向下发射。该菱形激波也是超音速流速与亚音速流速之间的转变区域，并是由于气流在离开喷嘴时过度膨胀而产生。过度膨胀流描述了这样一种流域，在该流域中，外部压力(即，本例中的周围大气压力)高于在该喷嘴处的气体离开压力。这产生斜激波，该斜激波从自由射流边界49反射，该自由射流边界49表示了该液体-气体流60与周围大气之间的界线。该斜激波彼此相向反射，以形成该菱形激波。
在该液体-气体流60中形成有显著的剪切力，理想的是，该液体-气体流60并不与偏转器表面分离，但是，当出现分离时(如图所示在60a处)，该发射器仍然是有效的。在第二激波阵面56附近所夹带的水受到这些剪切力，该剪切力是雾化的主要机理。水也遇到该菱形激波58，这是水雾化的次级源。
这样，该发射器10以多种雾化机理而工作，这些雾化机理产生直径小于20μm的水微粒62，大部分微粒测量为小于5μm。这些较小的液滴将浮在空气中。该特征允许它们保持接近火源，用于产生更大的灭火效果。而且，该微粒保持相当大的向下动量，从而允许该液体-气体流60克服由于火而产生的上升燃烧气体羽流(plume)。测量结果显示，该液体-气体流在离发射器18英寸处具有1200英尺/分钟的速度，在离发射器8英尺处具有700英尺/分钟的速度。观测到，来自发射器的流体流撞上其工作所在房间的地板。偏转器表面22的倾斜部分30的后掠角32提供了对液体-气体流60的夹角64的明显控制。可获得的夹角为大约120°。通过调节喷嘴出口16与偏转器表面之间的间隙24，可以对该流体流的分散型式进行附加的控制。
在发射器工作过程中，还观察到，在起火过程中积累在房间天花板处的烟层被吸入到从喷嘴出来的气流45中，并被带入流体流60中。这被加入到了如下面所述的该发射器的多重模式灭火特征中。
由于将水雾化成上述的极小微粒尺寸，该发射器使得温度降低。这吸收热量，并有助于减小燃烧的蔓延。氮气流和夹带在该气流中的水用不能支持燃烧的气体代替了房间中的氧。此外，成烟层形式的贫氧(oxygen depleted)气体被夹带在该流体流中，这有助于切断火的氧源。不过，还观察到，在部署有发射器的房间中的氧气水平并不降低成低于大约16％。水微粒和所夹带的烟产生雾，该雾阻挡了火的辐射传热，因此减小了通过该传热模式的燃烧蔓延。由于极小的水微粒尺寸导致非常大的表面面积，因此水很容易吸收能量，并形成水汽，该水汽进一步替代氧，从火中吸收热量，并帮助保持一个稳定温度(该稳定温度通常与相变相关)。由发射器形成的混合和湍流也帮助降低火周围区域中的温度。
该发射器与共振管的区别在于它并不产生明显的声能。射流噪音(由在物体上运动的空气所产生的声音)就是发射器仅有的声音输出。该发射器的射流噪音没有显著的高于大约6kHz(已知类型共振管的工作频率的一半)的频率分量，且发射器的射流噪音并不对水的雾化起显著作用。
而且，该发射器发出的流体流是稳定的，且并不与偏转器表面分离(或者如在60a处所示那样的延迟分离)，这与共振管的流体流不同，共振管的流体流不稳定，且与偏转器表面分离，从而使得雾化效率低，或者甚至不能雾化。
图7中表示了另一发射器实施例11。发射器11有导管50，该导管50朝着喷嘴12倾斜定向。该导管倾斜定向成将水或其它液体47引向气体45，以便在第一激波阵面54附近将液体夹带于气体中。可以认为，在产生从发射器11发射的液体-气体流60的过程中，该结构又增加另一雾化区域。
按照本发明的发射器工作以产生过度膨胀的气体射流，多个激波阵面和菱形激波实现了多级雾化，并且在用于灭火系统时可实现多重灭火模式，以便应用于控制火的蔓延。

Claims (46)

1.一种发射器，用于将夹带在气体流中的液体雾化并排出，所述发射器能连接成与所述液体的增压源以及所述气体的增压源成流体连通，所述发射器包括：
喷嘴，该喷嘴具有进口和出口以及在进口和出口之间的不被阻挡的内径，所述出口具有直径，该进口能连接成与所述增压气体源流体连通；
导管，该导管能连接成与所述增压液体源流体连通，所述导管具有出口孔，所述出口孔定位成邻近所述出口；和
偏转器表面，该偏转器表面定位成面向所述出口并与所述出口间隔开，所述偏转器表面具有第一表面部分和第二表面部分，该第一表面部分定向成基本垂直于所述喷嘴，该第二表面部分定位成邻近所述第一表面部分、并定向成并不垂直于所述喷嘴，所述液体能从所述孔排出，且所述气体能从所述喷嘴出口排出，所述液体由所述气体夹带并雾化形成液体-气体流，该液体-气体流撞上所述偏转器表面，并流动离开该偏转器表面。
2.根据权利要求1所述的发射器，其中，所述喷嘴是收敛喷嘴。
3.根据权利要求1所述的发射器，其中，所述出口的直径在1/8英寸和1英寸之间。
4.根据权利要求1所述的发射器，其中，所述孔的直径在1/32英寸和1/8英寸之间。
5.根据权利要求1所述的发射器，其中，所述偏转器表面与所述出口间隔开的距离在1/10英寸和3/4英寸之间。
6.根据权利要求1所述的发射器，其中，所述第一表面部分包括平表面，所述第二表面部分包括环绕所述平表面的倾斜表面。
7.根据权利要求6所述的发射器，其中，所述平表面的直径近似等于所述出口的直径。
8.根据权利要求6所述的发射器，其中，从所述平表面测量时，所述倾斜表面的后掠角在15°和45°之间。
9.根据权利要求1所述的发射器，其中，所述第一表面部分包括平表面，所述第二表面包括环绕所述平表面的弯曲表面。
10.根据权利要求1所述的发射器，其中，所述偏转器表面包括封闭端共振腔，该封闭端共振腔具有定位成面对所述出口的开口端。
11.根据权利要求10所述的发射器，其中，所述第一表面部分环绕所述共振腔。
12.根据权利要求11所述的发射器，其中，所述第二表面部分环绕所述第一表面部分。
13.根据权利要求1所述的发射器，其中，所述出口孔与所述出口间隔开，该间隔开的距离在1/64英寸和1/8英寸之间。
14.根据权利要求1所述的发射器，其中，所述喷嘴适合于在29psia和60psia之间的气体压力范围内工作。
15.根据权利要求1所述的发射器，其中，所述导管适合于在1psig和50psig之间的液体压力范围内工作。
16.根据权利要求1所述的发射器，其中，所述偏转器表面定位成这样，即，对于供给至所述发射器并从所述喷嘴出口排出的、具有预定压力的所述气体，在所述出口与所述偏转器表面之间形成第一激波阵面，并且邻近所述偏转器表面形成第二激波阵面。
17.根据权利要求16所述的发射器，其中，所述导管定位且定向成使得从所述孔排出的所述液体在所述激波阵面之一附近由所述气体夹带。
18.根据权利要求17所述的发射器，其中，所述偏转器表面定位成使得在所述液体-气体流中形成菱形激波。
19.根据权利要求17所述的发射器，其中，所述孔相对于所述出口定位成使得所述液体在所述第二激波阵面附近由所述气体夹带。
20.根据权利要求17所述的发射器，其中，所述孔朝向所述出口定位，使得所述液体在所述第一激波阵面附近由所述气体夹带。
21.根据权利要求16所述的发射器，还包括：所述喷嘴的尺寸设置成这样，即，对于所述进口处的预定气体压力，产生从所述喷嘴出来的过度膨胀气流射流。
22.根据权利要求16所述的发射器，还包括：所述喷嘴的尺寸设置成使得所述气流射流不产生除气体射流噪音之外的显著噪音。
23.根据权利要求16所述的发射器，其中，所述偏转器表面包括平表面部分和倾斜表面部分，该平表面部分定向成基本垂直于所述出口，该倾斜表面部分环绕所述平表面部分，所述倾斜表面部分确定来自所述发射器的流体流型式的夹角。
24.一种操作如权利要求1所述的发射器的方法，
所述方法包括：
从所述孔排出所述液体；
从所述出口排出所述气体；
在所述出口与所述偏转器表面之间形成第一激波阵面；
在所述偏转器表面附近形成第二激波阵面；
将所述液体夹带在所述气体中，以便形成液体-气体流；以及
将所述液体-气体流从所述发射器发射。
25.根据权利要求24所述的方法，包括：在来自所述发射器的所述液体-气体流中形成多个菱形激波。
26.根据权利要求24所述的方法，包括：形成从所述喷嘴出来的过度膨胀的气流射流。
27.根据权利要求24所述的方法，包括：在29psia和60psia之间的压力下将气体供给至所述进口。
28.根据权利要求24所述的方法，包括：在1psig和50psig之间的压力下将液体供给至所述导管。
29.根据权利要求24所述的方法，还包括：在所述第二激波阵面附近由所述气体夹带所述液体。
30.根据权利要求24所述的方法，还包括：在所述第一激波阵面附近由所述气体夹带所述液体。
31.根据权利要求24所述的方法，其中，所述液体-气体流并不与所述偏转器表面分离。
32.根据权利要求24所述的方法，还包括：除气体射流噪音外，所述发射器不形成显著噪音。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述气体射流噪音的频率分量不大于6kHz。
34.根据权利要求24所述的方法，还包括：在所述气流射流中产生动量。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，在离所述发射器18英寸距离处，所述液体-气体流的速度为1200英尺/分钟。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，在离所述发射器8英尺距离处，所述液体-气体流的速度为700英尺/分钟。
37.根据权利要求24所述的方法，还包括：通过提供所述偏转器表面的倾斜部分而形成来自所述发射器的、具有预定夹角的流体流型式。
38.根据权利要求24所述的方法，包括：利用所述气流射流中的压力与周围环境之间的压力差来将液体吸入所述气流射流中。
39.根据权利要求24所述的方法，包括：将所述液体夹带至所述气流射流中，并将所述液体雾化成直径小于20μm的液滴。
40.根据权利要求24所述的方法，包括：将贫氧烟层吸入所述气流射流中，并用所述发射器的所述液体-气体流来夹带所述烟层。
41.根据权利要求24所述的方法，包括：从所述出口排出惰性气体。
42.根据权利要求24所述的方法，包括：从所述出口排出惰性气体与化学活性气体的混合物。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述气体混合物包括空气。
44.一种操作如权利要求1所述的发射器的方法，
所述方法包括：
从所述孔排出所述液体；
从所述出口排出所述气体，从而形成出自所述喷嘴的过度膨胀气流射流；
将所述液体夹带在所述气体中，以便形成液体-气体流；以及
将所述液体-气体流从所述发射器发射。
45.根据权利要求44所述的方法，还包括：
在所述出口与所述偏转器表面之间形成第一激波阵面；
在所述偏转器表面附近形成第二激波阵面；
在所述第一和第二激波阵面中的一个附近将所述液体夹带在所述气体中。
46.根据权利要求44所述的方法，还包括：在来自所述发射器的所述液体-气体流中形成多个菱形激波。
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