CN101516784B - 旋涡发生器 - Google Patents

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Abstract

一种旋涡发生器，被设计成以将介质引入到受控旋涡运动，具有入口段(1)以将所述介质引入到所述旋涡发生器。该入口段包含具有弯曲几何(108)的旋转对称腔(101)。而且旋涡室(4a，4b)，在该旋涡室中建立了所述旋涡运动，被连接到所述入口段。入口段(1)包含至少一个螺旋形的锥形通道，用于将所述介质从旋转对称腔导引到所述旋涡室中。所述旋涡室是喇叭形(4a)或卵形(4b)的。

Description

旋涡发生器
本发明涉及一种旋涡发生器(vortex generator)，该旋涡发生器被设计成将介质引入到受控的旋涡流动。该旋涡发生器具有将所述介质导引到所述旋涡发生器中的入口段，该入口段包含具有弯曲几何形状的旋转对称腔，所述旋涡发生器进一步包括被连接到所述入口段的旋涡室，在该旋涡室内建立所述旋涡流动。本发明还涉及一种净化水的方法。
背景技术
使用用于将介质引入到旋涡流动的旋涡发生器的已经建立的技术是以许多不同方法予以实现的。最常用的一个方法是通过使用施加压力的导轨迫使所述介质在所述旋涡室内流动。该方法的问题在于所述导轨一进入到端部所述压力也就会消失。另一种建立方法是将所述介质切向地吹入到所述旋涡室中作为具有高压力和高流动性的均一物质。该方法使所述介质产生旋转，其类似于固体的旋转并最终引起湍流。然而另一种方法是使用一种圆盘，该圆盘高速旋转因此用它推动所述介质。这导致在周围产生较高的压力，其会引起结构化的旋涡快速分解为湍流。
因此这些困难出现在将所述流动介质保持为受控旋涡流动是很重要的情况下。当达到水力分离器，例如，喷气式发动机中的燃烧室，已经使用了将所述介质切向地吹入到所述旋涡室作为均一物质，但是该方法的问题之一在于该情况下，即中断流动，引起湍流。在水力分离器中，这干扰离心分离效应，并引起颗粒被吸入到所述接收流中。在喷气式发动机中，这引起燃料和空气的混合的质量较差，其会导致效果降低。如果与能够控制所述旋涡流动相比，这还会导致该过程需要更多能量和更高效率地利用原料。使用导轨导引所述流动不是很有效，因为所述导轨一进入端部所述导向效应就消失。另一个问题在于当所述流动介质被吹入或推入到均一的和更多或更少层流流动中的旋涡室中，所述旋涡不会形成螺旋流动模型，但在此情况下还会开始以固体方式旋转从而最终变为湍流流动。
建立的旋涡发生器的例子，其目的是要处理可饮用的液体，描述于DE-U-20 218 674中。
被称为马丁旋涡发生器(Martin Vortex Generator)的另一旋涡发生器以Wirbelwasser(www.wirbelwasser.de)商标名字上市的。在该旋涡发生器中的水以类似于固体的方式运动。
发明内容
本发明的目的是实现一种旋涡发生器，该旋涡发生器在不同类型的情况下表示以上提到的该组问题的较好的解决方案，在此方式下所述流动介质变为受控旋涡流动。
该目的是使用在该文件开始描述的那种旋涡发生器予以实现的，其已被给出在专利权利要求1中定义的特征。优选实施例放置在从属权利要求2-11中。对于特定的应用领域，该目的还通过描述于专利权利要求12中的方法予以实现。
根据本发明的设计，所述旋涡发生器具有入口段，其包含至少一个螺旋形的锥形通道(spiral-shaped conic channel)用于将所述介质从所述旋转对称腔导引到所述旋涡室。所述旋涡室(vortex chamber)是喇叭形的或卵形的，并以此方式被设计成以使所述旋涡室内部的喇叭形的纵向的横截面用函数表示为f(x)＝k*xy，其中这些参数的以下变量表示所述旋涡室的喇叭形的纵向横截面的限定区域：8500＜＝k＜＝9000，-1.1＜＝y＜＝-1.0，该函数被限定在初始值X0和X0+250长度单位之间，在此X0根据以下变化：70＜＝X0＜＝170，并且所述旋涡室的卵形的内部由函数表示为：f(x)＝k1*x2+k2*y2-C，其中这些参数的以下变化表示旋涡室的卵形的纵向的横截面的限定区域：18＜＝C＜＝21，如果X＜＝0，则，k1＞＝0.003且k2＞＝0.005，如果X＞0，则，k1＞＝0.002且k2＞＝0.005。
通过设计本发明，所示介质接收朝向自组织的推动力，类似于当浴室清空时形成的旋涡，所述内部旋涡流动是通过由外部容器的表面引起的减速效应维持的。通过以该方式给流动介质一个推动力，持久且结构较好的旋涡能被建立、维持并使在给定初始推动力之后继续更长时间。根据本发明的设计，与通过已经建立的技术予以实现的相比，所述旋涡发生器能以相当低的压力和流动产生结构较好的旋涡。还允许获得液体和气体的有效混合，其产生成本更有效的不同处理，因为它们需要能量较少且使用的原料较少。而且，因为构造所述旋涡发生器的方法，在中心形成旋涡压力减小，起到真空泵的作用，例如，其能被用于分离气体或颗粒。
所述介质应当优选液态或者气态的。
根据本发明的实施例，所述旋涡发生器还包括旋涡集中器，其被连接到所述入口段，且该旋涡集中器被布置成以使在其外表面处，它被从所述入口段的螺旋形的锥形通道导引到所述旋涡室的介质流所包围。所述旋涡集中器的外表面被设计成以使所述流动减速从而能在其附近形成压力降低。所述旋涡集中器还增加了所形成的旋涡的稳定性。
根据本实施例，所述入口段具有用于连接所述旋涡集中器的斜边。这意味着连接所述旋涡集中器较容易。
所述旋涡发生器的入口段可包含中心通道，用于将所述介质的次要流从所述入口段的旋转对称腔导引到所述旋涡集中器的内部。在此情况下，所述旋涡集中器还具有用于将所述次要流(secondary flow)从所述旋涡集中器的内部导引到所述旋涡室的出口段，以及位于所述中心通道和所述旋涡集中器的内部之间的通道盘(channel disc)，该通道盘具有至少一个倾斜通道，用于将所述次要流从所述中心通道导引到所述旋涡集中器。采用该设计，能在所述旋涡集中器的内部产生旋涡，且当该次要流离开旋涡集中器时，与所述旋涡室中的压力相比由于在是所述旋涡集中器的内部存在更高的压力因此它将高速且旋转地加速并射出到所述旋涡室中。所述旋涡室中的主旋涡将因此被进一步地集中。
所述旋涡集中器的内部优选包含旋转对称室。通过这样做，加强了所述旋涡集中器内的旋涡的形成。
根据本发明的实施例，具有至少一个旋涡通道的喷嘴位于所述旋涡集中器内，所述旋涡集中器出口的上游。在该喷嘴的帮助下，在所述旋涡集中器内部形成的旋涡得以集中。
所述旋涡发生器的入口段优选包含在所述入口段内突起的至少一个翼部。通过具有该附加部分，导引到所述入口段的介质被给定推动力，加速旋涡的形成。
所述翼部应当优选位于所述入口段的旋转对称腔的上游。所述介质因此被给定一较早推动力(impulse)，以使即使在所述介质达到所述入口段的腔之前所述旋涡运动就被开始。
在转向所述旋涡室内部的一个表面上，所述入口段可具有圆形凹部。该凹部形成所述旋涡室的一部分内部几何，并具有进一步稳定所述旋涡的作用。
本发明的旋涡发生器优选被布置成以通过在所述旋涡的中心中收集污染物来净化水。
根据本发明的用于净化水的方法，受污染的水被导引到所述旋涡发生器，其是根据本发明的设计予以构造的。污染物被有效地收集在所述旋涡的中心并能导引走，同时所述净化后的水会径向通过所述污染物的外部。
附图说明
在这些附图中：
图1和图2示出了具有两个不同几何的旋涡室的整体结构的横截面，且示出了不同的旋涡是如何形成和构造的，以及入口段、旋涡集中器和外部容器是如何相对于彼此而被组装的；
图3表示从下面具有用于螺旋形和锥形的通道的出口孔的入口段和通道盘的详细图像，其中所述通道盘引起从中心流过以旋转的次要流。
图4表示具有产生推动力的翼部、带有弯曲几何形状的对称室以及用于不同次要流的通道的入口段的横截面。
图5表示从下面的入口段以及所述不同的次要流如何切向射入到所述旋涡室中。
图6再次表示所述入口段的横截面，但此时表示不同的旋涡是如何形成并且是在何处形成的，以及它们是如何形成在所述旋转对称腔内的，以及它们随后是穿过这些通道的入口喷射到所述螺旋形的通道中的。
图7表示所述旋涡集中器的详细图像，以及表示所述不同旋涡是如何产生并形成在所述旋涡集中器的周围和内部的。
具体实施方式
本发明的更详细的特征和优点通过以下的详细描述将会显而易见。本发明包含一种新型的旋涡发生器，如图1和图2所示，其目的是将流动介质引入到所述受控旋涡运动，并具有喇叭形的旋涡室4a或卵形的旋涡室4b。
介质被给定初始旋转同时在所述入口段自身1内建立了较细结构的旋涡。通过以下面更详细描述的方式导引，其被围绕主旋涡5的轴旋转，其同时围绕其自己在复杂运动中流动的轴旋转。所述旋涡的连续运动是通过从所述旋涡室4(a和b)的外壁的减速效果予以维持的。
可以说所述流动介质经受以其被给定朝向自组织的推动力而开始的过程。流过入口段1中的开口的介质被设定为由翼部103的初始旋转。由于在这些翼部的压力减小的侧部上的相对压力较低，一些介质被吸入小型的微旋涡中，这些微旋涡构成所述较细结构的旋涡。这些微旋涡将它们自己部分地结合成几束旋涡丝(vortex thread)，这些旋涡丝构成形成于通道102(a和b)中的较大旋涡的核心。
当具有多束旋涡丝109的旋转介质流入旋转对称腔101中时，所述介质被推向弯曲几何体108的周边。所述旋转介质平靠腔101的弯曲的外部，接着随着所述曲线再次向上转弯而卷曲，因此，具有多束旋涡丝的旋转环形成在所述旋转对称腔内。因为所述介质被推入到具有一定量的过压力的入口段1，所述环的外部被推入到多个通道102(a和b)中，其入口102a位于所述旋转对称室的侧部上。这些通道102(a和b)是锥形的和螺旋形的。并切向引导到旋涡室4(a和b)中。通道102(a和b)的锥形形状使得通道的出口段102b的表面面积小于它们的入口段102a。压入所述通道内的旋转介质形成更大的旋涡，该更大的旋涡部分由肾形的几何构成，以及部分由微旋涡构成，这些微旋涡构成该旋涡的核心。所述通道102(a和b)的肾形几何将这些旋涡保持在内部并促使它们聚集。因为这些通道是锥形形状，因此这些旋涡被以随着半径尺寸减小而渐增的速度旋转。因为这些通道是螺旋形的，且它们的流动的轴被切向放置，因此所述介质沿着方向110被推入到旋涡室4(a和b)中。
不同的次要流被推入到旋涡室4(a和b)，其由外部容器3的内侧、旋涡集中器2的外侧以及不被旋涡集中器2盖住的入口段1的底部部分构成。从入口段的螺旋形的通道102(a和b)流出的介质沿着方向110切向流动，且正好在入口段的柔性成形的连接件105之下开始旋转到所述旋涡室。该介质然后被迫使向下流动且将在此点围绕旋涡集中器2旋转。当其在围绕旋涡集中器2的外表面旋转时，该介质将会受到附壁效应的影响。该结果在于所述介质被当做一种制动器的表面吸附到该表面，其在正好邻近所述表面使压力减小并形成向下朝向所述旋涡集中器的尖端的三维运动的旋涡。
同样地，压力减小建立在邻近旋涡室4(a和b)的外表面，但是由于从一开始所述旋涡具有围绕旋涡集中器2的更多运动，压力减小不会强烈影响主旋涡5。这导致旋涡围绕所述旋涡集中器构成，以及当所述介质围绕将所述介质从所述周边吸向所述旋涡集中器的表面的旋涡集中器扫掠时形成压力减小。
所述介质的次要流穿过笔直通道104流入旋涡集中器2中，并穿过喷嘴被推入到所述旋涡集中器中，其中所述喷嘴由具有倾斜通道的通道盘106组成，这些倾斜通道将次要流向上导引到甚至更小的流动中，其按照它们的顺序被切向向内推到旋涡集中器2的内侧之上。该内侧以和所述外部相同的方式形成其形状，因此建立了旋转对称腔201。当所述介质的流动被推压这些侧部时，它们开始旋转并形成旋涡。当所述旋涡达到旋涡集中器的内侧的尖端时，能穿过出口孔202向外移动到旋涡室4a或4b中。因为所述旋转对称室内部的压力高于旋涡室的压力，因此所述旋涡将在旋涡集中器中加速并以高速且旋转从所述尖端射出。
从旋涡集中器2的尖端流出的旋涡由一个或多个次要流组成，当它们在出口孔202的内部相遇时这些次要流像绳股一样扭绞在一起。这些次要流在旋涡集中器内的喷嘴203内部形成。在所述喷嘴内部，存在至少一个旋涡通道204，其俘获和形成次要旋涡。所述喷嘴在这些通道向围绕的旋涡开口的位置处形成锥形。所述旋涡中的介质被推入这些通道中并在此建立较小的旋涡，这些较小的旋涡被压力压向所述出口孔。当不同的次要旋涡在所述出口孔相遇时，它们缠结成粘性旋涡(cohesive vortex)。所述旋涡部分通过其更高的旋转和中心流，将形成压力减小，其将进一步地集中主旋涡。
从旋涡集中器2的尖端流出的中心旋涡6在主旋涡5的中心处形成适当的核心，其是由于所述次要流聚集在所述旋涡集中器2的周围而形成的。
旋涡室4(a和b)的内部将具有对所述介质的周边产生减速效果，其降低了周边流的速度。外部容器接触介质并具有提供稳定层的表面，该稳定层提供形成前述效果的基础。这导致形成螺旋形的可见流，且旋涡的连续运动得以维持。旋涡室4(a或b)的内侧的纵向横截面被描述成喇叭形，或者另外的卵形，其还构成用于控制旋涡加速的合适的几何形状。
喇叭形4a的旋涡室401的内部的纵向横截面用函数表示为：f(x)＝k*xy，在此参数的以下变化表示所述旋涡室的喇叭形纵向横截面的定义区域：8500＜＝k＜＝9000，-1.1＜＝y＜＝-1.0。所述函数定义在长度的初始值X0和X0+250单位之间，在此X0根据70＜＝X0＜＝170变化。另外，旋涡室4b的卵形几何402被定义为函数：f(x)＝k1*x2+k2*y2-C，将所述旋涡的加速针对某些应用是较合适的，在此这些参数的以下变化表示所述旋涡室的卵形的纵向横截面的定义区域：18＜＝C＜＝21，如果x＜＝0，则k1＞＝0.003且k2＞＝0.005，如果x＞0，则k1＞＝0.002且k2＞＝0.005。
根据给定的喇叭形或卵形的函数，当半径会沿着从入口段朝向出口410的方向减小时，旋涡的角频率将根据规定几何形状增加，因为动量不变。所述旋涡室周边附近的减速效应仍会起作用，结果所述螺旋形的流线仍进一步扭绞在一起。通过用不同方法形成所述几何形状，能够控制所述旋涡的角频率的加速，以使保持周边速度的初始值。
所述旋涡室4a或4b的几何效应以及所述周边处的减速效应具有这样的结果，即所述旋涡将向内朝向所述旋涡中心增加其旋转频率，其由此使得所述流线从在平面内的旋转纵向运动到具有沿着所述中心轴拉长的旋转的流线。所述旋涡室内的压力高于外侧上的压力，其是为何所述介质受压力影响以使不经受和内表面同样的减速效应的中心部分实现更高的轴向速度。所述旋涡从具有很小增加的螺旋形旋转转变为具有更多轴向的旋转，以及具有高速的轴向流动。
喇叭形几何和卵形的几何之间的不同在于喇叭形的几何实现了更高的轴向速度。结果所述卵形状更适合于喷嘴的场合，在此例如所述介质被喷射成具有合适的分散图像。所述喇叭形的几何适合于应用在需要流动介质的初始速度较高的场合，例如，喷气式发动机中的燃烧室，或者喷水应用中。
通过以上述方式给流动介质推动力，能建立和维持持久且结构较好的旋涡，一个将继续更远的距离超过推动力提供者本身。而且与已经建立的可比较的技术相比，所述旋涡在相当低的压力和流动下形成，且具有相同容积的旋涡室，与已经存在的技术相比，使用该本发明的优点之一是能以恰高于0bar的较低压力工作，例如水力分离器，其仅以相对较高的压力开始展示所述效应。
导引到所述旋涡发生器中的介质可以是气体或者液体，但它还可以是液体和气体的混合物。
根据本发明的设计，所述旋涡发生器能用于几种领域中。它特别适合于水净化，即适合于污水净化又适合于生成饮用水。使用所述旋涡发生器，可以从水中有效地除去颗粒。这些颗粒聚集在所述旋涡的中心能被排走。净化后的水能从杂质的外部径向地流过。实验还表明溶质例如铁离子能从水中被去除。
由于在所述旋涡的中心建立了压力减小，因此所述旋涡发生器看用于例如气体或者颗粒的分离。该特性例如能用于冰场内的冰。要被倾倒到冰上的水通过减小压力被去除气泡，改变水的流动特性，其意味着能在较低温度下利用水。尽管其温度较低，但是水能容易地流过所述冰中的孔和裂缝。这依次导致冰更快和均匀地冻结，其意味着制冰机使用的时间较短。这节省了能量并降低了维护成本。该脱气效果还能用于使用造雪炮制造雪，以及制造工业冰。
而且，旋涡中心的压力减小还能用来将气体引入到液体。如果允许将空气吸入到水中，该装置用于池塘中，水中发生较强的充气，这对鱼是有利的，但还对分解水中的养分的细菌是有利的。因此，能够控制藻类的生长。来自池塘的水能得以净化，且在水返回到池塘之前加入氧气。因此，池塘的生态平衡能够得以维持。
旋涡中心处的压力减小还能以用于混合物质的更常用的方法使用。例如，粉末能被加入并与液体混合，气体能被加入并与液体混合，或者液体或气体能被加入并与气体混合。
因此，应用领域之一是灌溉，例如，在此在使用之前，化肥能与水混合。当在制造冰的时候，水的流动特性还能受到影响，以使所述水更适合于灌溉疏水性土壤。脱气效应还能用于制造水泥，由于处理过的水会更好的渗入到水泥，因此增加了成品水泥的持久性。
所述旋涡发生器还能用来根除藻类和其他微生物。旋涡中心处的压力减小具有杀菌效果，由于藻类好其他生物首先经受压力然后压力减小。藻类不能不能经受压力的改变，结果死去。
另一杀菌效果是利用旋涡中心处的压力减小将臭氧从臭氧发生器吸入到旋涡发生器中。在此情况下，所述臭氧能在水中得以有效地分布，这就是为何迅速根除了藻类的原因所在。
微生物的根除在例如处理船舶中的压舱水是有用的。微生物在压舱水中存活和繁殖，当船舶将压舱水倾倒在不同于船舶在此填装水的水中时存在这些微生物蔓延的风险。因此，在排水之前希望杀死所述微生物。
例如，所述旋涡发生器还能用来减小水管中的石灰比例。穿过所述旋涡发生器的水含有较小量的方解石和较大量的文石。与方解石相比，文石形成石灰比例的倾向性较小。

Claims (12)

1.一种用于将介质引入到受控旋涡运动的旋涡发生器，该旋涡发生器包含用于将所述介质导引到所述旋涡发生器中的入口段(1)，该入口段包含具有弯曲几何(108)的旋转对称腔(101)，且所述旋涡发生器还包括连接到入口段(1)的旋涡室(4a，4b)，所述旋涡运动在该旋涡室中建立，其特征在于，入口段(1)包含至少一个螺旋形的锥形通道(102a，102b)，用于将所述介质从所述旋转对称腔(101)导引到所述旋涡室，所述旋涡室是喇叭形旋涡室(4a)或卵形旋涡室(4b)，以此方式使得喇叭形旋涡室(4a)内侧(401)的纵向横截面用函数表示为：f(x)＝k*xy，其中这些参数的以下变化表示所述喇叭形旋涡室(4a)的喇叭形的纵向横截面的限定区域：8500＜＝k＜＝9000，-1.1＜＝y＜＝-1.0，该函数被限定在初始值X0和X0+250长度单位之间，在此X0根据以下变化：70＜＝X0＜＝170，所述卵形旋涡室(4b)的内侧(402)由函数表示为：
f(x)＝k1*x2+k2*y2-C，其中这些参数的以下变化表示卵形旋涡室(4b)的纵向横截面的限定区域：18＜＝C＜＝21，如果X＜＝0，则，k1＞＝0.003且k2＞＝0.005，如果X＞0，则，k1＞＝0.002且k2＞＝0.005。
2.如权利要求1所述的旋涡发生器，其中使用的介质是液态或者气态的。
3.如权利要求1或2所述的旋涡发生器，还包括被连接到入口段(1)的旋涡集中器(2)，该旋涡集中器(2)被布置成在其外表面处被从所述入口段(1)的螺旋形的锥形通道(102a，102b)导引到旋涡室(4a，4b)的介质流所包围，且所述旋涡集中器的外表面被布置成以使所述介质流减速从而能在所述外表面形成降低的压力。
4.如权利要求3所述的旋涡发生器，其中所述入口段(1)具有用于连接所述旋涡集中器(2)的斜边(107)。
5.如权利要求3所述的旋涡发生器，其中所述入口段(1)还包括中心通道(104)，用于将所述介质的次要流从所述入口段(1)的旋转对称腔(101)导引到所述旋涡集中器(2)的内部，且在所述旋涡集中器(2)中具有用于将所述次要流从所述旋涡集中器(2)的内部导引到所述旋涡室(4a，4b)的出口(202)，以及位于所述中心通道(104)和所述旋涡集中器(2)的内部之间的通道盘(106)，该通道盘(106)具有至少一个倾斜通道，用于将所述次要流从所述中心通道(104)导引到所述旋涡集中器(2)的内部。
6.如权利要求5所述的旋涡发生器，其中所述旋涡集中器(2)的内部包括旋转对称腔(201)。
7.如权利要求5所述的旋涡发生器，其中具有至少一个旋涡通道(204)的喷嘴(203)位于所述旋涡集中器(2)的内部，位于所述旋涡集中器(2)的出口(202)的上游。
8.如权利要求1或2所述的旋涡发生器，其中所述入口段(1)的内部包括在所述入口段(1)内突起的至少一个翼部(103)。
9.如权利要求8所述的旋涡发生器，其中翼部(103)位于入口段(1)的旋转对称腔(101)的上游。
10.如权利要求1或2所述的旋涡发生器，其中所述入口段(1)在其向内转向所述旋涡室(4a，4b)的一侧上具有圆形凹部(105)。
11.如权利要求1或2所述的旋涡发生器，其被布置成通过在所述旋涡的中心中收集污染物来净化水。
12.一种净化水的方法，其中污水被导引到根据前述权利要求中的任一项所述旋涡发生器中。
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