CN101436402B - 十字形气体共振频率发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种十字形气体共振频率发生器。它包括一个十字形管，所述十字形管由两根垂直相交的管段组成，形成四个管段，其中一个入气管段的端口构成入气口，一个与入气管段相垂直的管段的端口为出气口，构成喷嘴，另一个与入气管段相垂直的窄路的端口封闭，形成封闭盲管端，构成二级共振管，一个与入气管段同轴线的管段构成共振管，也是激励输入端；所述十字形管的激励输入端与一个主动频率激励器相连接；所述入气口接入气体；所述主动频率激励器提供频率发生器所需要控制振动频率的零质量气流；所述出气口喷出带有振动的气流，实现频率发生功能。采用本发明可获得简单色系、高强度、周期性压力波和流量波，包括低频部分和高频部分；装置在较低流速和压力下仍能起振；在外加条件不变时，波动幅度不衰减；喷嘴输出振动能量可以由激励输入端输入流量幅度调节。

Description

十字形气体共振频率发生器
技术领域：
本发明涉及一种频率发生器，特别是一种十字形气体共振频率发生装置。它可以产生高强度振动气流。可以应用在喷射雾化冶金、烟尘沉降、燃料预混、主动控制、大强度声波或超声波等技术领域。
背景技术：
本发明源于对喷射雾化冶金技术的研究，但本发明的意义超越了这项技术应用本身。
喷射雾化冶金技术是近二三十年来新兴的冶金工艺，发展非常快，其中超音速气体雾化技术因其产品性能的优越备受关注。此项技术的关键之处在于产生高频振动的高速气流。而高频振动的产生原因是由于存在一种称之为Hartmann共振管的结构。Hartmann共振管又称Hartmann哨，由两截细管段组成，由其一管段吹气入底部封闭的另一管段，产生哨音。Hartmann共振管在现实中有非常多的应用，如利用其振动效应的烟尘沉降、燃料预混、主动控制、噪音抑制及喷射雾化等，利用其热效应的火箭发动机点火器、新型电冰箱制冷机等。
Hartmann共振管具有多种形态，喷射雾化冶金技术中所采用的USGA(Ultra-Sonic GasAtomization)喷嘴US7118052 B2就是它的一种变化。USGA喷嘴可以产生带有高频振动的超音速气流，使得雾化产品品质优良，有颗粒分布集中的特点。USGA喷嘴在喷射雾化冶金技术有着重要的地位。
不过，USGA喷嘴也有自己的缺点。其产生的高频振动的气流马赫数需较高，起振难度大，振动的振幅较小；气流速度非常大时反而压抑了有益的气体振动；没有产生持续低频振动的能力。
发明内容：
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种十字形气体共振频率发生装器，可以获得简单色系、高强度、周期性不衰减压力波和流量波。
为达到上述目的，本发明的构思是：
本发明的十字形气体共振频率发生器，具有输入气流供给部。
气体的供给部(入气口)，提供了稳定的气体来源，保障频率发生器工作介质的存在。
本发明的十字形气体共振频率发生器，具有气体共振管(激励输入端)；
气体共振管是气体振动产生的核心部件。高频振动的产生由共振管的几何特性决定，当共振管长度与管径之比较大(如大于1)时，共振管的振动频率高频部分满足关系式f＝c/(4L)，其中c为当地声速，L为共振管的管长，当采用实际的装置是，总可以通过试验来测定有效的管长，记为L有效；对隔离式设计，共振管的底部可以近似认为是当主动激励器未工作而出、入口处于稳定工作状态时时运动件近端面平均位置所在处。
本发明的十字形气体共振频率发生器，具有二级共振管(封闭盲管端)。
二级共振管的作用是协同共振管工作。共振管和二级共振管管内气体涡流的互动，加强了振动的效应。
本发明的十字形气体共振频率发生器，具有主动频率激励器。
主动频率激励器的作用是产生可控制的振动，具体可以由零质量射流来实现，可以有压电膜振动式、活塞振动式、记忆合金振动式、声波激励式或者其它可以产生气流振动的构件组成。主动频率激励器可以有频率可调控的设计。
主动频率激励器可以由激励输入端直接接入，其产生的气流直接参与频率发生器的构造，作为整体影响共振频率发生器的振动特性；或者可以由运动件和复原件来避免主动频率激励器中气流流场对共振管振动特性的相互影响；运动件的作用是隔绝十字形管道内气流和激励器腔内气流；复原件的作用是恢复或调节运动件的工作状态。
本发明的十字形气体共振频率发生装置，具有出气部件(出气口)。
出气部件输出简单色系、高强度、周期性压力波和流量波。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种十字形气体共振频率发生器，包括一个十字形管，其特征在于所述十字形管由两根垂直相交的管段组成，形成四个管段，其中一个入气管段的端口构成入气口，一个与入气管段相垂直的管段的端口为出气口，构成喷嘴，另一个与入气管段相垂直的窄路的端口封闭，形成封闭盲管端，构成二级共振管，一个与入气管段同轴线的管段构成共振管，也是激励输入端；所述十字形管的激励输入端与一个主动频率激励器相连接；所述入气口接入气体；所述主动频率激励器提供频率发生器所需要控制振动频率的零质量气流；所述出气口喷出带有振动的气流，实现频率发生功能。
上述主动频率激励器是由一个出口连接激励输入端的振动容器内，设置振动运动件及其复原件构成；所述振动运动件的作用是隔绝十字形管道内气流和激励器腔内气流；所述复原件的作用是恢复或调节振动运动件的工作状态。
上述主动频率激励器为压电膜振动式、或活塞振动式、或记忆合金振动式、或声波激励式激励器。
上述主动频率激励器所提供的激励频率与十字形气体共振频率发生器固有的频率一致，包含低频部分和高频部分。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
采用本发明可获得简单色系、高强度、周期性压力波和流量波，包括低频部分和高频部分。
采用本发明的装置在较低流速和压力下仍能起振，在外加条件不变时，压力波和流量波波动幅度不会衰减。
采用本发明的装置气体喷嘴输出振动能量可以由激励输入端输入流量幅度调节。
由此，采用本发明可以获得可控、稳定、高强度、简单色系低频和高频气体压力波和流量波。
附图说明：
图1十字形气体共振频率发生器结构示意图，其中(a)为直连式：即共振管(3)直接连接激励器(4)，使腔体联通；(b)为隔离式：即将共振管(3)和激励器(4)通过运动件(8)分隔开，两腔体内气体互不联通。
图2典型激励器(4)结构示意图，其中(a)为压电膜振动式；(b)为活塞振动式；(d)为记忆合金振动式；(c)为声波激励式。
图3由本发明十字形气体共振频率发生器派生的主动激励式Hartmann哨装置图，其中(a)为直连式；(b)为隔离式
图4气流流场图，其中(a)为粒子示踪图；(b)为流场速度图。
图5出口处气流振动图，其中(a)为出口平均质量流率图；(b)为出口平均压力图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：参见图1，本十字形气体共振频率发生器，包括一个十字形管，所述十字形管由两根垂直相交的管段组成，形成四个管段，其中一个入气管段的端口构成入气口1，一个与入气管段相垂直的管段的端口为出气口6，构成喷嘴，另一个与入气管段相垂直的窄路的端口封闭，形成封闭盲管端2，构成二级共振管，一个与入气管段同轴线的管段构成共振管，也是激励输入端3；所述十字形管的激励输入端3与一个主动频率激励器4相连接；所述入气口1接入气体；所述主动频率激励器4提供频率发生器所需要控制振动频率的零质量气流；所述出气口6喷出带有振动的气流，实现频率发生功能。
参见图2，上述主动频率激励器4为主动控制部件，其装置可以是由压电膜振动式或者活塞振动式或者记忆合金振动式或者声波激励式或者其它可以产生气流振动的构件组成。
参见图3，上述十字形气体共振频率发生器，可以有面向环境的设计，去掉盲端(二级共振管)和出气口管道。
参见图4，上述十字形气体共振频率发生器，其气体的流动由入气口到出气口，共振管和二级共振管内的流体流速远小于入口段和出口段，但共振管和二级共振管内的涡流是明显的，正是它们之间的涡流决定了气体振动输出的特性。
参见图5和图1的装置，结合工作介质空气，给出一个优选的参考实例：
首先确定十字形气体共振频率发生器的几何特征和频率特征和工作参数。主要有管径20mm，共振管有效管长40mm，二级共振管管长40mm，低频特征频率550Hz，高频特征频率2078Hz，输入压力3个大气压，外部压力1个大气压。参考空气声速320～340米/秒。
入气口1加压3个大气压，同时控制主动频率激励器4连续做以下动作：输入0.85*SIN(2π*550*t)kg/s的输入信号0.15秒；撤销主动频率激励器4输入信号0.15秒；输入0.85*SIN(2π*2078*t)kg/s的输入信号0.15秒。
参见图5可以看到相对没有激励的部分，装置输出的低频激励部分和高频激励部分流量波和压力波波幅都有了巨大的提高，就此一案例而言，约可达到十倍以上，这意味着波动能量有百倍的提高，这在实际应用技术中意义非常重大。

Claims (3)

1.一种十字形气体共振频率发生器，包括一个十字形管，其特征在于所述十字形管由两根垂直相交的管段组成，形成四个管段，其中一个入气管段的端口构成入气口(1)，一个与入气管段相垂直的管段的端口为出气口(6)，构成喷嘴，另一个与入气管段相垂直的窄路的端口封闭，形成封闭盲管端(2)，构成二级共振管，一个与入气管段同轴线的管段构成共振管，也是激励输入端(3)；所述十字形管的激励输入端(3)与一个主动频率激励器(4)相连接；所述入气口(1)接入气体；所述主动频率激励器(4)提供频率发生器所需要控制振动频率的零质量气流；所述出气口(6)喷出带有振动的气流，实现频率发生功能；所述主动频率激励器(4)是由一个出口连接激励输入端(3)的振动容器内，设置振动运动件(8)及其复原件(7)构成；所述振动运动件(8)的作用是隔绝十字形管道内气流和激励器(4)腔内气流；所述复原件(7)的作用是恢复或调节振动运动件(8)的工作状态。
2.根据权利要求1所述的十字形气体共振频率发生器，其特征在于所述主动频率激励器(4)为压电膜振动式、或活塞振动式、或记忆合金振动式、或声波激励式激励器。
3.根据权利要求1所述的十字形气体共振频率发生器，其特征在于所述主动频率激励器(4)所提供的激励频率与十字形气体共振频率发生器固有的频率一致，包含低频部分和高频部分。
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