CN1018018B - 控制流体的射流运动 - Google Patents

Abstract

一种流体混合装置，它带有一个腔，腔中设有一个流体进口和一个相对的流体出口。该装置使完全占据入口的第一流体的流动与出口上游的腔壁分离。流动分离和出口间的距离相对于腔的宽度足够长，以使分离了的流动自身不对称地重新附着到出口上游的腔壁上并经出口不对称地喷出该腔。在重新附着状态下的第一流体的逆向流动和/或通过出口诱发的第二流体的流动由此在流动分离和重新附着之间的腔中涡旋，并诱发分离/重新附着流动的旋进。这种旋进增强该流动与来自腔外的第二流体的混合。

Description

本发明总的涉及控制自喷嘴喷出的气相、液相或混合相流体射流的运动。本发明在一些特定方面则涉及提高或控制射流与其周围介质的混合比率，在其它一些方面还涉及控制射流离开其成型（forming）喷嘴时的方向。本发明的一个特别有用的用途是将喷嘴与燃烧器或燃烧室相结合，燃烧室可燃烧气体、液体或固体燃料粒子，此处，富含燃料的流束或颗粒必须在燃烧前尽可能有效地同氧化流体混合。但是本发明主要涉及的是流体的混合，而不是仅限定于包括燃烧过程的用途。

在特定结构上，本发明能够控制射流喷出喷嘴的矢量方向，因此，当射流是从某一物体中喷出时，也可以用来控制施加于该物体上推力的方向。还可以采用这一特性来控制射流的特定方向，使之用于其他目的。

热能可以从“可再生的”天然资源和不可再生的燃料中得到。目前在工业和发电业中使用的最普通的燃料是煤、石油、天然气和人造气。在石油和天然气的可得性受到限制（地区或全球性），并导致其价格上涨，达到不经济程度之前，获得石油和天然气的便利条件将确保它们为最佳燃料。煤的储量比天然气和石油大得多，很可能满足很大一部分能源要求，特别是用于发电业，这方面展示出很好的前景。在喷嘴式燃烧器中燃烧粉煤是目前熔炉和锅炉装置燃烧的最佳方法。可以预见，除了最低品位的煤，这一最佳方法会继续使用，为此，最好是使用多品位（grades）流化床、油/煤浆或其他类型的预处理。

煤的气化是一种公认的预处理形式。如果改进能容纳各种品质气体的固有稳定气体燃烧器，并采用气化工艺，可增加使用低品位的煤作为电力和供热能源资源的使用期限。

对使用气体燃料的现有燃料喷嘴的设计和操作的一个普遍制约是燃料通过给定尺寸的喷嘴的质量流速受到这样一个速度的限制，在此速度下，经过混和过程的喷嘴射流速度应能被衰减到在混和状态下火焰扩展速度的值。以这一状态存在的火焰必须在特定的燃料与氧化剂的混合浓度处于可燃范围之内时才产生，如果通过喷嘴的流速很高，这种状态则在远离喷嘴出口平面处产生，此出口平面处的紊流速度波动的强度和范围都很大，火焰前部的波动可能超过混合物的燃烧下限，从而导致火焰熄灭，因此，如能大幅度提高喷嘴喷出射流的扩展速度和混合，火焰前部会更加稳定，并更靠近喷嘴。以同样的方式，对夹带在气体流束中的粒子燃料（如粉煤）燃烧的混合过程的改进，可对颗粒逗留时间达到更有效的控制，该逗留时间是干燥、预热、消除挥发物质、颗粒燃烧和控制不希望有的释放物质（如硫和氮的氧化物）所需要的。

为了消除或抑制前一段落中提到的燃烧不稳定性，涡流式燃烧器、不良流线形流体扩张器或火焰稳定器和所谓缝隙式燃烧器都曾被用来提高流体喷射与其周围介质的混合，但是它们是以提高通过混和喷嘴和/或第二气流系统的压力损失为代价的。这些喷嘴不得不在低于临界射流动量的状态下操作，在这种状态下喷嘴产生出来的稳定流动结构会突然变化，失去其稳定性，使火焰变得不稳定，最终熄灭。

所有上述改善火焰稳定性的装置通常都是与燃料和空气或氧化剂的局部“预混合”相结合的。这种预混合可有效地减少为产生一种可燃混合物而使燃料射流与其周围氧化介质进行混合的量。

如果设计和调节不正确，预混合燃烧器可产生“回火”，产生这种现象时，火焰从燃烧器喷嘴处逆流运动。在正常安全措施失灵或被忽略的严重情况下，这种现象会导致爆炸。

在提高燃料流量的同时产生稳定火焰的另一方法是通过流体流动的脉动或以音响激发喷嘴射流来提高混合速度。激发可由一个或多个活塞装置、挡板、一个或多个旋转槽片、安装在射流出口处上游或下游的扬声器或振动叶片或膜片装置产生。使用扬声器时，声音的相位和频率可通过安置在射流出口处的传感器的反馈电路来调整。在某些情况下，射流可通过射流出口处的剧烈涡流运动非常迅速地扩展和混合。通过引起自然发生的流体波动来激发共振腔产生音响共鸣，使射流不需任何电子线路或类似物来有声地自身激发也是可能的。通过在射流喷嘴内的入口和出口之间安置共振腔，可在较大的射流速度范围内提高混合程度，这是所谓“汽笛”燃烧器的原理，该燃烧器在澳大利亚专利说明书88999/82中已述及。

汽笛燃烧器的一个严格限制是由于激发要求喷自喷嘴的燃烧射流必须具有较高的喷出速度，因此，增强作用只是在燃烧器操作范围内的高端才产生。而达到这一较高喷出速度所需的驱动压力则大于通常输送工业用气体的驱动压力。

汽笛燃烧器的另一缺点是由于频率间断会引起极大的噪音。

如前所述，本发明还涉及控制射流离开其成型喷嘴时的方向。射流喷嘴通过其本身的运动，或通过为使射流在离开喷嘴时偏转而插入到射流中的偏转器叶片或薄片的装置，来控制射流的特定方向，这种喷嘴的设计和制造是相当复杂的，有可能在这种“矢量射流”喷嘴工作时失败或发生故障。这些喷嘴可用于短距离起降的飞机、导弹的诱骗装置、航天器的姿态控制和一些流体控制装置。

本发明在一个或多个方面的发明目的是提供一流体混合装置，该装置可用作燃烧喷嘴，以便至少部分减轻目前使用中的燃烧器喷嘴的上述缺陷。

本发明最佳实施例的特定目的是增强流体射流与其周围介质之间的混合，其量级同汽笛燃烧器所达到的量级相同，但是是以低得多的燃烧射出速度和驱动压力得到的，并且不会产生那种在频率间断时的强烈噪声。

用于本发明另一最佳实施例的特定目的是提供一种可控制射流方向的射流喷嘴。

因此，本发明在第一方面提供一流体混合装置，该装置包括：

壁式结构限定的腔，它具有一流体入口和通常位于该入口对面的流体出口;

至少在上述入口和出口之间的部份，上述腔的横截面要大于上述入口的横截面;

使全部占据上述入口的第一流体与出口上游的壁结构分离的流动分离装置;

其中上述流动分离装置和上述出口之间的距离相对于该腔的宽度应足够长，以便使分离出的流动自身不对称地重新附着到出口上游的腔壁结构处，并经该出口不对称地喷出该腔，由此在上述流动分离和上述重新附着之间的腔中，使上述重新附着的第一流体的逆向流动和/或通过上述出口引自腔外的第二流体的流动形成涡旋，并由此产生上述分离/重新附着流动的旋进，这种旋进增强了该流动与腔外第二流体的混合。

在第二方面，本发明进一步提供了第一和第二流体的混合方法，该方法包含：

让第一流体进入腔内以形成与腔壁结构分离的流动;

让分离的流动自身不对称地重新附着在出口上游腔的壁结构处，并通过该出口不对称地喷出腔外，该出口通常设置在已进入的流动的对面;

由此，在上述流动分离和上述重新附着之间的腔中，使上述重新附着的第一流体的逆向流动和/或通过上述出口引自腔外的第二流动相混合以形成涡旋，并由此产生上述分离/重新附着流动的旋进，这种旋进增强了该流动与腔外的第二流体的混合。

在第三方面，本发明还提供了一种燃烧装置，该装置安装在燃烧喷嘴，这个燃烧喷嘴包括一个根据本发明第一方面的流体混合装置。第一流体可以是气体燃料，第二流体可以是喷嘴周围的空气或氧气。在燃烧室内或在不同的流体混合过程中，如果有利的话，这两种流体的作用可以互换。

燃烧装置最好是轴向基本对称，尽管非一不对称（nonasymmetry）实施例是可能的。当该装置是轴向对称时，由较小的周向（azimnthal）偏差就可引起主射流在燃烧室内不对称重新附着，而这种较小的周向偏差在腔所限定空间内的介质流体输送速度中是自然存在的。同时这一现象是如此的固有不稳定，以致主射流的偏斜率逐渐提高，直至接触腔的内壁。

出口大于入口，或至少大于流动分离处腔的横截面是比较有利的。

这就确保横截面足够容纳不对称喷出的旋进流动和诱发的流动。出口只不过是腔或均匀横截面的腔部分的一个开口，但是最好是至少在出口处有一些在周向的障碍，以在重新附着的旋进流动中引起或增大横向分速度。流体入口最好是一个邻接的单一（Contiguous    single）开口，这个开口在第一流体进入腔时不将其分开。

此处使用的术语“旋进”仅仅是指倾斜指向的不对称流动围绕连接入口和出口处的轴的旋转。虽然流动在旋转时自身之内当然会产生涡旋，但没有必要指出或暗示这一点。

本发明进一步概括地提供了一种将两种流体混合的方法，该方法包含偏斜或使其中一种流体的偏斜流动偏斜到一个锐角角度，从而使偏斜的流动旋进，最好是也产生发散，这一旋进增强了该流动与腔外部另一流体的混合。

这个概括性的发明包括了本发明的第一和第二方面，但是在那些情况下，流动的旋进是由装置本身的几何形状引起的。

代替实际上完全的分离流动和诱发的喷出旋进、以及不对称地流动的流体，分离可能仅仅是局部的，例如在入口和轴线的一侧，这样结果是局部将流动分离成一个引导流动，该引导流动与轴线成一角度，正象在此发生分离那样朝向腔的同一侧。

因此，本发明在第四方面提供一流体流动控制装置，包含：

壁结构限定的腔，该腔含有一个流体入口和一个通常设置在该入口对面的流体出口;

至少在上述入口和出口之间的空间部分上述腔的横截面要大于入口;

使全部占据上述入口的第一流体与出口上游的壁结构分离的流动分离装置;

其中，流动分离装置与上述出口之间的距离相对于腔的宽度应足够长，以使局部分离了的流动通过上述出口从腔的外部引起第二流动，并使第二流动影响局部分离的流动，由此使后者与分离流动相同朝腔的相同一侧的方向不对称地喷出腔外。

在这种情况下，出口处最好有一个周向上的阻碍装置，如一个环形凸缘，它作用于流动，增强其从出口流出时的不对称方向。该入口最好是一个光滑的收敛一扩散限流装置，该装置同一突出装置或其他扰动装置一起，安装在其最小横截面的一侧，或靠近最小横截面的一侧，以产生上述局部分离。突出装置最好是可取出的，并是可相对进行圆周运动的，使之能控制喷出流动的方向。另一方面，在装置上分别安装有多个元件以使它们能以不同的方位或周向位置缩进或伸出到限流装置内部。突出物可以是一个薄片或其他材料的装置，或者也可以是一个小射流，这个小射流可以是与主流体相同的或不同的流体。

在本发明这个实施例的喷嘴中，通过出口平面处的凸缘与自外部引起的流体的不对称输送的结合作用，使通过腔的附着流动在从腔中喷出时突然产生偏斜，并作为射流离开该喷嘴，这个射流是以与腔的侧面保持附着的流动相对的方向运动的。此时，这个不对称引导射流不围绕喷嘴旋进，但是与相对于入口平面处的突出装置或扰动装置保持一固定的偏斜方位。因此，射流的矢量方向可通过插入或放入喷口处，或靠近喷口处的小突出装置或扰动装置达到固定，实际上这个喷嘴入口的喷口位于或靠近最小横截面部份。该方向可通过改变突出装置的方位（周向位置）而加以改变。而这一改变又可通过将整个喷嘴围绕其主轴线旋转达到，或通过安排围绕在入口喷嘴喷口处的若干个执行元件达到，每个元件都可插入到流动中，或从流动中抽出，这些元件可以是销、杆或本身是流体射流，这样在特定的方位就可形成或取消突出装置。这种执行元件可以手动、或以机械、电磁的方式操作，还可由计算机或其他逻辑控制系统控制。

根据本发明的第一方面，当混和喷嘴具体体现为用于气体燃料燃烧的燃烧器射流时，混合，继而是火焰的稳定性，从火焰的控制直到多倍次驱动压力的整个工作范围内都可得到增强，而该驱动压力是通过燃烧器内的最小的孔产生声音流动所需的。

因此，对于正常的操作来说，本发明体现的射流喷嘴可在现有燃烧喷嘴的典型的流动及操作压力下产生稳定性有所增加的火焰。对需要非常高强度燃烧的特殊应用。它也可产生达到并超过在喷嘴内产生声音（“扼流”）流动所需压力下的稳定火焰。

重要的是达到上述超水平的稳定性无需燃料与氧化剂的预混合。然而如果采用了一定量的预混合，则预混合射流与其周围介质间的增强了的混合 会进一步增进火焰的稳定性。

本发明体现的射流混合喷嘴可与其他燃烧装置相结合，如第二空气的涡旋，入口

口（quarl）和一个为了某些用途的“燃烧瓦管（tile）”，该瓦管形成一个腔并收缩，以产生高动量火焰。

由于射流混合喷嘴可在低射流速度下操作，并且不依靠从中穿过的流动的声响性能，因此它可应用于粉状固体燃烧，雾化气体燃料和燃料浆的燃烧。

在一些应用和实施例中，混合的增强可偶然产生间歇现象，特别是使用非常小的喷嘴时。通过将一小的不良流体形物体或空心圆柱体安置在腔内或安置在腔的正好出口外侧，可消除这一间歇现象。另一方面，如果需要的话在流动进入腔时，可以通过预一涡旋叶片或其他装置引发轻微的涡旋，以减少或消除间歇现象。

流动分离装置和出口间的距离与重新附着处腔的直径的比大于1.8较好，大于或等于2更好，约为2.7最好。当腔是由在包含上述入口和出口的直角端壁间延伸的均匀横截面圆柱体构成时，这个比值是腔长度与其直径的比。

图1（a-h）说明的是根据本发明构成的混合喷嘴可替换实施例的选择，适用于使流动与该流动喷嘴周围的流体介质进行混合。

图2（a-e）说明的是根据本发明的混合喷嘴的应用选择，此处需要将两种流动进行混合。

图3描述了在喷嘴出口下游两个出口直径远处射流中心线上测出的总压力（静态+动态压力），对于特定喷嘴来说，总压力是腔长度的函数。注意，这里总压力的低值表示低流速。

图4描述的是所测出的火焰投射距离同喷出直径的比与雷诺数的函数关系[图4（A）]，及它与穿过喷出口平面的平均速度的函数关系[图4（B）]，作为标准，非涡旋燃烧器喷嘴将与根据发明的燃烧喷嘴的这一比值进行比较。

图5描述了根据本发明的两种不同喷嘴和现有的“汽笛”喷嘴在达到稳定燃烧喷嘴时所需要的几何比率。

图6纯粹是一个剖视的流动示意图，它是描述三维动态旋进和涡旋流动的瞬时图形的透视图，这种旋进和涡旋流动是在已实现增强混合的情况下存在于发明的喷嘴内及其周围的。

图7说明的是该装置的射流矢量应用的一个实施例。

在如图1（a-e）所示的本发明实施例中，喷嘴包含含有腔（6）的导管（5）。该腔由导管（5）的圆柱形内面及限定了入口平面（2）和出口平面（3）的直角端壁所限定。入口平面（2）含有一个直径为d₁的入口孔（1），该孔的周缘起分离装置的作用，把穿过入口孔的流动与腔壁分离开。出口平面（3）基本上包含一个窄的凸缘或突出部份（3a），它限定了直径为d₂的出口孔（4），其中d₂略大于d₁。凸缘或突出部分（3a）在它的内缘处可象所示的那样是斜的，它也可以是象入口孔（1）的周缘那样。流体经直径为d₀的输送管（0）输送到孔（1）。

图1（a-e）所示的四个实施例实际上都包含长度为L直径为D的管状腔（其中直径D大于入口的流动截面直径d₁）。沿流动方向的长度上，该腔的直径不必恒定。在入口平面（2）处最好有一横截面的突变或其他比较快的变化，这样入口咽喉部直径为d₁。上游导管直径d₀与入口直径d₁间的关系是任意的，但d₀≥d₁。

L与D的常用比值范围为2.0≤L/D≤5.0。

已经发现L/D≈2.7的比值产生特别优良的混合增强作用。

d₁与D的常用比值范围为0.15≤d₁/D≤0.3。

d₁与D的常用比值范围为0.75≤d₂/D≤0.95。

这些比值对于图1（a-e）所示的实施例是常用的，但并不是唯一的，并且也不一定适用于所有实施例。以上给出的本发明喷嘴的几何比率与一些现有技术喷嘴的值的关系示于图5中。应该注意的是通过使用图1（e）所示实施例的装置，混合增强作用始终处于稳定状态的几何比率的范围实质上被增加了。

图1（e）还标出了一个适于悬在流动中为了防止发生上述间歇现象，即旋进方向的颠倒的物体（7）。该物体可以是实心的或空心的，它也可以是从其内表面到外表面开孔的。物体（7）可以是对于给定的用途既合适又有效的任一上升流（up-stream）和下行流（downstream）的形状。例如，它可以是锥形或球形的。对于液体或颗粒燃 料，它可能进一步提供一个喷射（injection）点。该物体的长度（X₂-X₁）是任意的，但通常是小于腔的长度L的一半，而且一般是约小于D/4。如图1（e）所示，它一般被置于腔内，在这种情况下，X₂＜L并且X₁＜L;也可以将它横跨出口平面（3）放置，在这种情况下，X₂＞L，并且X₁＜L;或者将它全部放置在喷嘴的出口平面（3）外面，在这种情况下X₂＞L并且X₁＞L。该物体的外径小于腔的直径D，其内径d₄可以取从零（实心物体）到接近d₃的极限的任意值。该物体可相对于导管对称地放置，但是也可以将它不对称地放置。

图1（f）、（g）和（h）的不同之处在于腔（6）从入口孔（1）逐渐地发散。在这种情况下，为了产生射流的旋进作用，发散的角度和/或发散角度的增加率必须足以使通过入口孔导入并完全占据该入口孔的流动完全或部分地分离。

图2（a-e）表示的是两种流体流束混合的几何图形，这两种流体流束是分别由流动1或流动2所标明的一个在内部，另一个在外部的流束。不是流动1就是流动2可能代表燃料，而且流动1和/或流动2的任一个或两者可能含有颗粒物质或液滴。就图2（a）来说，应以这样的方式引入流动2，这就是诱发涡旋的方式，该涡旋的方向最好是，但并非必须是与射流旋进的方向相反。直径D和d之间的关系，可取任何实际上可能的数值，而这些数值是与达到流束间所需的混合比相一致的。扩展（8）是一个

口，对于每个用途，可适当地选择它的形状和角度。

图2（b）描述的是图2（a）的变形，其中，通过增加燃烧瓦管（9）形成了腔（10）。通过燃烧瓦管（9），由直径为d_Q的

口将燃料和氧化剂的燃烧混合物收缩，以形成燃烧射流。其中燃烧射流是出自直径为d_E的出口（11）或出自高为d_E无论什么宽度都可以的出口缝（11）。在这个图形中，通过适当地选择与流动（1）的涡旋和流动2的旋进速度有关的

口（8）的形状的扩展角度，可造成涡旋的爆炸，并引起流动1和流动2的流体间的小范围混合，而大范围的混合则由射流的旋进所引起。

本发明的喷嘴最好是由金属制造的，也可以使用其他材料，既可以是模制的、铸造的、也可以是加工出来的，该喷嘴例如可用合适的陶瓷材料制成。在使用燃烧瓦管的地方，瓦管和

口都由陶瓷或耐火材料构成是最理想的。对于温度相当低的非燃烧用途，可用塑料、玻璃或有机材料来制造该喷嘴，例如用木材。

本发明喷嘴的横截面最好是圆的，但是也可以是其他形状的，例如，正方形的，六角形的，八角形的，椭圆形的，或相似的形状。如果腔的横截面有一些锐利的角或尖，将它们磨圆可得到一些好处。如前所述，流体束可以是一个或多个流体流速，并且任何一个流体流束可载有颗粒状物质。通过直径为d₁的入口孔（1）的流速可能是亚音速的，或者，如果跨越喷嘴有足够的压力比，该流速可能是音速的。即在特定流体形成的穿过孔（1）的流动中，该流体可达到一个与音速相同的速度。除了输送管（0）被加热到足以使流体成为超音速的这样一种特殊情况，在穿过孔（1）时流体中的最大速度一般是音速。在大部分燃烧用途中，该速度很可能是亚音速的，在某些用途中，也可以在直径d₁的咽喉部位后面接一个成型（Profiled）部分用来产生进入腔的超音速流动。

通过对本发明喷嘴内和喷嘴外的流动进行仔细的目测（通过对染料在水中的轨迹、烟在空气中的形状，颗粒运动和油膜在喷嘴内表面的迁移进行高速或低速摄影的方式），并结合测量系统中速度的平均值及波动，这里将按照下面的顺序描述该流动。该详细描述不能被看作是对本发明的限制，因为它是基于观察效果分析的先决条件。该顺序是参照图6描述的。

以上游入口管（0）中的非涡旋（平行）流动开始，流体通过入口孔（1）排入到腔（6）内，在那里，流动分离成射流（20）。喷嘴的几何形状是经过选择的，这样自然产生的流动不稳定性将使流动（20）（该流动在从腔（21）内引入流体时逐渐偏斜）朝腔（6）内表面部分在（22）处不对称地重新附着。流动的大部分继续朝下游方向流动，直至它遇到在喷嘴出口平面（3）中的出口孔（4）周围的凸缘或阻碍（3a）。凸缘诱发一个指向喷嘴几何中心线的流动速度分量，从而引起或帮助主要偏斜流动或射流以（23）不对称地喷出喷嘴，在腔内和在喷嘴出口平面处的静态压力低于周围介质的静态压力，这样就由在腔内的主射流造成 了一个流动，并且这个作用于喷出射流的压差增大了其朝向和穿过几何中心线的偏斜度。由于主射流没有全部占据喷嘴出口孔的可得到的面积，因此诱发了来自周围介质的流动（24），它通过没有被主射流占据的孔的那部分逆流进入腔（6）。

在腔内掉转方向的那部分重新附着流动（26）的路径最初是沿腔（6）内表面近似轴向，但是随之开始旋转，并越来越变成周向（azimuthal）方向。这接着又使诱发的流动（24）发展成涡旋，当接近腔的入口端时，该涡旋被极大地增强了。在这个区域的流动流线几乎都是在图6中虚线（25）所示的周向方向。一般认为该流体随后成螺旋形地进入腔的中心，并被再次送入主流动（20）中。在腔内分离装置（1）和重新附着作用处（22）之间引起强涡旋的压力场把一个大小相同方向相反的旋转力作用到主流动（20）上，这样有助于使它在腔内侧旋进。这种旋进是以与腔内流体涡旋（25）方向相反的方向进行的并产生腔内压力场的旋转，因此稳定状态实际上是动态不稳定性状态，其中，与腔内主射流的旋进和它的重新附着作用点（22）有关的（顺流的）角动量实际上是与腔内剩余流体的涡旋运动的角动量大小相同方向相反，这是由于在入口流动中没有角动量，而且没有外部施加的切向力作用于腔内该流动;因此总角动量必须总是为零。

象已经注意到的那样，主流动在离开喷嘴时相对于喷嘴的中心线指向不对称的方向，并在出口平面周围快速地旋进。此外，平均来说，喷出喷嘴的流动有一个很明显的初始扩展。注意由于主流动在出口平面周围旋进，当自周围介质诱发的流动（24）进入腔中，也因此产生旋进。这个外部的流体在腔中被夹带进入主流动中，由此开始了混合过程。上述段落涉及的角动量的观察结果是：由于主流动离开喷嘴时是旋进的，因此为了平衡角动量，射流内的流体必须有与旋进相反方向的涡旋。

没有必要对腔内开始的涡旋优先定向。在相当长的时间里，它一旦开始就必然能保持相同的涡旋方向，而且与旋进的方向相反。但是，由于某些还未被了解的原因，有时这个方向会改变，这种情况发生时，在混合增强的程度上有一个瞬间的变化。涡旋和旋进方向的这种变化的次数好象是随着喷嘴尺寸的减小而增加的。因此，关系到增强程度改变的这种情况的发生率，小喷嘴要大于大喷嘴。这就是前面涉及到的所谓“间歇现象”。通过将一些较小的障碍物，例如图1（e）中的物体7或如前所述的一个实心物体插入腔内或紧接着置于腔的出口外的方法，或通过在喷嘴的输送管（0）内设置一个产生涡旋的装置来规定涡旋的优先方向的方法，可消除这种间歇现象。由此产生的旋进是稳定的而且与涡旋的方向相反。无论何时，总角动量必须等于在喷嘴的输送管（0）处产生涡旋的装置所引入流动中的角动量。

导致图6中所示的射流偏斜并快速旋进的流动过程的顺序的解释进一步被图7中表示的结果所支持。上游部分或入口部分1′现在象在Laval喷嘴中那样由以下部分组成：收缩部分101、咽喉部分或最小流动横截面部分102和渐变成发散部分103的光滑过渡部分。发散部分103的扩展率使流体从周边的一部分分离，而仍然附着在其他表面上。

在这种情况下，不存在分离射流的重新附着，因此也没有与图6中流速26等效的流动部分。进而也就没有那个流体可以以周向或螺旋方向在主射流周围运动的路径。因此，没有可以发生逆向流动的涡旋和由此产生主射流旋进的机理。因此，该射流仍然占优势地附着在腔6′的壁（104）部分，这个部分的周向位置可以通过在喷嘴的收敛-发散入口1′的咽喉部102的表面的一点上安置一个小突出物（106）来明确地限定。附着作用然后出现在突出物（106）位置对面的腔壁上。这种附着流动然后与经出口4′从腔外诱发进入腔内的逆向流动强烈混合，因此产生一个跨越腔的压力梯度。它与在出口平面的凸缘3a′的扰动作用一起，使该射流以与附着了的流动的侧面相对方向成锐角地离开该喷嘴。可通过多种方式来改变突出物106的相对圆周位置。例如，可以将整个喷嘴围绕其主轴线旋转。另一方面，一套销或可使一些小射流引入流动的孔可被排列在咽喉部周围，通过一些简单的手动、机械或电动的方法，使任一个销伸出或喷出任一个小射流进入流动中来形成一个突出或局部空气动力的阻碍106，这样就确定了射流经出口4′喷出喷嘴的方向。因此，图7中所示的实施例可用作矢量推力喷嘴。

在增进火焰的稳定性方面，本发明喷出流动旋进的燃烧器混合喷嘴效率指标可由分析图4得到， 其中绘制的是天然气火焰投射距离相对于雷诺数和相对于喷嘴喷出平均速度的关系。投射距离是喷嘴喷出平面和火焰前部间的距离，并且是燃料和氧化剂的混合比相对于它们的对流比的量度。用简单的词句表示，这意味着在给定混合比的情况下，射流喷出速度（它与对流速度成比例）越高，火焰投射的离喷嘴就越远。同样，在给定射流喷出速度情况下，混合比越大，投射距离越短。从图4可以看出对于增强了的混合的燃烧器，投射距离非常小，表明混合比很高。

来自喷嘴的流体射流进入其他性质的静止周围介质时随着其向下游移动而速度下降。由于射流中的流体夹带或与周围流体混合，流体必须将其从静止状态加速到混合速度。为达到这一目的，射流必须损失它的一些动量，由此必须降低速度。伴随速度降低，射流横截面增大，即射流扩散。所以，射流速度的下降率是扩散率的量度。或是射流与其周围介质混合速度的量度。因此，不同喷嘴结构的混合率的简单比较就可以通过在与射流喷口平面相对的固定几何位置上，在射流中心线中放置一个速度传感器来获得。

图3显示了这一试验的结果。其中，标绘了在自出口平面下游两个喷嘴出口直径远处的射流中的定时平均总压力相对于驱动压力的范围，即流速的范围，是本发明特定增强混合喷嘴内腔长度的函数，如果静态压力是恒定的，总压力在测定点上同射流速度的平方成正比。从图3可以看出，当腔长度为240毫米，即相当于L/D＝2.64时，由于在离喷嘴喷口只有两个喷嘴出口直径处，对于所有流体流速测到的总压力几乎是零。因此，显示出非常低的射流速度。这一点又反过来说明了射流非常快速的扩散了，并且与其周围介质的混合增强了。（更详细地说，射流中平均流线的弯曲与极快的扩散速度有关，它使接近喷嘴出口中心线的静态压力最初低于环境压力，但随之在自出口平面两个喷嘴直径的距离内回到环境压力，所以非常靠近喷嘴出口平面的总压力为零，并不是必须意味着速度就是零。尽管如此，它们是非常小的）。

当把喷嘴作为燃烧器来混合燃料及氧化剂时，它是处于共流动环状流束中的，而环状流束根据图2（a）和2（b）的实施例可是涡旋或被其他方式引导的，使用如图2（a）所示的那样的 口或象图2（b）所示那样的 口和燃烧瓦管的结合是有利的。这种安排有助于反应物之间非常小范围的混合，而大范围的混合则与旋进有关。以这些方法，所有的混合物比，从非常浓的到非常稀的都可获得稳定的火焰。

迄今为止获得的所有结果表明所有流速都可产生相同的流动现象，因此解决了使用“汽笛”喷嘴时发生的限制下调比率的问题。

总之结果表明，本发明的混合喷嘴通过喷出喷嘴的射流引起非常快的射流扩散，极大地提高了周围流体的引入速率。因此，当以该喷嘴作为燃烧器喷嘴时，在可比流率下，它可比标准燃烧器喷嘴在更靠近喷嘴处得到维持火焰所需的混合强度。大的扩散角度与非常快的射流速度下降有关，这种下降使火焰前部非常靠近喷嘴出口，而此处的紊流波动是非常小的，它提高了火焰的稳定性。当以低火焰速度燃烧燃料时，如天然气，和以低热值燃烧燃料时，这一点尤其重要。

本发明的燃烧/燃烧器喷嘴具有以下优点：

（Ⅰ）在从传动压力是零点几千帕斯卡的“导向”流动到事实上扼流流动（即：例如天然气或液化石油气的传动压力约为150千巴大气压，在180千巴时流动则被全部扼制）这样一个完整操作范围内，喷嘴都是稳定的。这一传动压力可与以下压力比较：正常民用气压约1.2～1.4千巴，工业总干线压力15～50千巴和“特殊用户”压力约70～350千巴。

（Ⅱ）喷嘴可以是“过吹的（Overblown）。高至800千巴（表压）的试验仍不能将火焰从燃烧器上吹离。

（Ⅲ）采用图2（b）中的 口和瓦管装置和供给2.5千巴或更大的气体压力，在实验仪器的空气供给能力范围内不可能将火焰从喷嘴上吹散。可得到的最高空气流动相当于化学计算燃烧所需空气的1000%以上。

（Ⅳ）操作噪音低于“汽笛”喷嘴，并不含显著的不连续音调，相对于在同样质量流速下稳定操作的普通喷嘴，其噪声级至少是与之近似的。

（Ⅴ）燃料可在整个操作范围内任一点上轻易点燃。

（Ⅵ）在燃烧器喷口处产生大的干扰不能将火焰熄灭-例如，与流动交叉或向火焰摆动叶片或 将叶片穿过火焰。

（Ⅶ）操作可容许相对来说较大地变化（对已给的d₁和D，为尺寸L和d₂的大约±10%）。因此，可预见其耐久性会很好的。

虽然本发明的上述实施例表面类似于专利申请88999/82中述及的“汽笛”喷嘴，但它具有一非常不同的精细的几何结构，并通过一完全不同的物理过程达到混合的增强。本实施例不涉及无论是强迫或自然产生的对流动的音响激发。这一事实被详细的声谱和以下结果加以论证。对本发明混合喷嘴的已给实施例来说，自喷嘴喷出的水束进入到静止的水中的混合率实质上与喷嘴中喷出的空气或气体以其相同的雷诺数进入到静止的空气中是完全一样的。如果混合取决于音响现象，则不可能会达到这一结果，因为水和空气在材料性能上的差异，使两个流动中的马赫数有大约70倍的差异。

自本发明混合喷嘴中射出的气体的惰性射流产生出的噪声频谱显示无明显不连续频率，当射流点燃时也无明显不连续频率。从本发明混合喷嘴射出的射流的噪声扩散低于以同样质量流速的普通射流的扩散，或与之相近，并实质上大大低于自专利申请88999/82的“汽笛”喷嘴喷出的射流的噪声扩散。

上述汽笛喷嘴的共振腔是通过在喷嘴中设置二个孔板构成的。从或在上述汽笛燃烧器中观察到的增强了的混合流动图形是由两个孔板间的共振腔在它的一个或多个天然声响波型（mode）共振下产生的。它们是通过自上游入口孔板处周期性流出的强烈环形涡流激发的。这些涡流，通过与喷口平面处的限流装置的相互作用，激励共振腔内的主要放射声响（0，1）波型。当其本身不足以引起相当大的混合增强时，这一（0，1）波型可能会与共振腔内一个或多个共振波型耦合，如风琴管（Organpipe）波型。一个共振波型或多个共振波型反过来又在靠近喷嘴或其下游处激发了一强烈的环形涡流或若干环形涡流系统。“汽笛”喷嘴共振腔长度与其直径的比不到2.0，并严格依靠其操作射流速度，典型的比率是0.6。

“汽笛”喷嘴的腔的共振由若干涡流激发，这些涡流是自上游小孔以Strougal流出频率流出的。这些频率必须与共振腔的一个或多个声响波型的共振频率相匹配，以使混合增强产生在由此引起的射流中。Strougal涡流激发共振腔共振波型的能力取决于它们的强度，这一强度反过来又取决于它们在形成点的速度。由于Strougal流出频率也取决于速度，因此，有一个使共振“Cut-on”的最小流速。穿过孔板的压差，随速度的平方提高，;因此最小的或“Cut-on”流速需要一高的驱动压力。

该增强混合射流喷嘴不同于“汽笛”喷嘴之处是，它不依靠任何与腔或共振腔的任何声响波型相耦合的扰动，此外，它不需要来自入口的强烈涡流流入腔内，以及开始产生增强的最低流速不由任何共振的“Cut-on”来确定。

根据本发明的喷嘴预计非常适用于如下燃烧应用：

气体燃料

（Ⅰ）烧油炉向烧天然气炉的转换，天然气具有油的三分之一的热值。因此，为保持炉的额定值，需要相对于油的三倍的气体质量流。从体积上讲，大约要增加2000倍。用普通的燃烧器，这一转换将导致很长的气体火焰，它可将炉的后端烧毁，或由于火焰前部波动使操作不稳定而引起断续的熄火，或激发一个或多个系统的共振。这些结果或迫使炉的额定值下降，或迫使将炉的燃火端进行较大的重新修整。出自新燃烧室的火焰形状相对来讲较短，并且是球形或类似球形的。

（Ⅱ）低热值“废气”的燃烧变得可能了，如化工厂或鼓风炉的废气，制造碳黑或无烟燃料的废气。

（Ⅲ）对工业或发电站使用的烧气锅炉不稳定运转的调整变得有效了。这种不稳定是非常常见的，燃烧工程师常常称之为“固有的”。许多发电站的烧气锅炉都因此问题受到损害。本发明者认为，不稳定性不全部是固有的，而主要是由于很差的混合结果引起的，这一结果在气体/空气混合中恶化了低流动扩散的效果。

（Ⅳ）民用和工业用水加热器。安全主要取决于下面的可能性，即由于火焰探测系统的失灵，火焰将在其没有被探测到的情况下熄灭。通过本发明使火焰意外熄灭的可能性有所降低。

（Ⅴ）工业燃气轮机燃烧器。燃气轮机可用于船舶推进系统，工业制炼设备或作为火力发电厂的前置过程等的多种用途，并存在于许多装置之中。相对来说产生较低热值气体的新一代煤的气化设备 的开发，如Unde    Rheinbraun，Sumitomo，Westinghouse等，将扩大这一使用范围。这些设备通常还需要一个使气体再构成变为合成天然气（SNG）的步骤。这是一个费用较高的工艺，如果回避它的话，肯定会留下燃烧热值低、低火焰速度和可变质量气体稳定等问题。采用普通装置进行这一工艺，需要非常大的燃烧室、复合式点火器和火焰导向系统，当煤的气体质量较低时，可能还要时常加入一些高质量气体。采用本发明可极大提高火焰稳定性，减少燃烧空间。

液体燃料

（Ⅰ）本发明喷嘴会改进烧油装置的性能，特别是在使用鼓风雾化装置的情况下。

（Ⅱ）如果液体燃料使用成功，其用途范围将包括气体燃料用途，但是对液体燃料用途应增加：

-用于飞行器燃气轮机（特别是如果在全部燃烧料流下，被认为是以气体燃料点燃火焰的能力能够为液体燃料所代替）。

-用于自动燃料喷射系统-特别是Orbital    Engine公司开发并获得专利的鼓风系统。

固体（粉状的）燃料

（Ⅰ）对粉状燃料的初步调查表明喷嘴内的腔可自身清洁，不会被燃料堵塞。

（Ⅱ）带有该喷嘴的燃烧器以低流速操作的能力和其不依靠喷嘴出口处的再循环区域这一事实，使人联想到成功的粉状燃料燃烧可能适用于新的设计。一些实施例，如图1（e）中通过物体（7）进入的粉状燃料或在图2（a）中，随流动1引入的粉状燃料，都显示了这种可能性。如果成功的话，燃烧器的使用范围可扩大到从发电站到工业锅炉的各种类型的燃烧锅炉，包括金属工业使用的锅炉。

（Ⅲ）一个可能的次要收益是通过粉状燃料和白云石的混合可燃烧含硫的煤。这个可能性的原因是，对燃烧温度的一些控制是通过确定主要气流量和温度之间的适当关系以及与次要气流的混合比率来达到的。

根据本发明的一个增强了混合的喷嘴，如果被认为是除上述燃烧应用以外的能产生强烈混合的普通喷嘴，它还可用于以下非一燃烧用途：

（a）喷射器-或是用于产生一个从P₁到P₂的较小压力升高（象在气流“排放器”中那样-如果对给定的高压气液消耗，P₂/P₁能够被喷嘴提高，喷射器将会在加工工业中有许多用途），或是用于产生一个降低的压力P₁（例如，排出孔上的实验室射流真空泵）或是通过该系统而引起一个质量流。这些用途的一个实施例是游泳池“真空清洁器”，但是另一个更重要的实施例是火箭助推冲压式喷气发动机，该发动机中的一个固体、液体或气体燃料的小火箭产生带走周围空气的高温高压射流，因此，通过该系统引起的质量流大于仅通过向前飞行引起的质量流。这种系统也是自身起动的，因此，推进装置在冲压式喷气发动机操作开始运转之前不需达到最低速度，即不需要二级动力装置。

（b）飞行器喷气发动机排气喷嘴。通过排气喷嘴的喷出平面的动量通量确定了喷嘴的推力，它不受喷口平面下游射流扩展速度（混合比）的影响。通过诱发高混合速度，可极大地减少射流噪音。

（c）通过全部或部分地向下引导推进射流或辅助射流可缩短飞行器起降距离。图7中图示的本发明的实施例提供了一个装置，以此装置不使用插入到高温射流排气装置中的机械操作的片状物、叶片或薄片便可调整射流方向。

（d）通过改变相对于飞行器的推进射流的矢量方向，可极大地提高使飞行器在飞行中改变方向的速度。图7中图示的本发明的实施例提供了这种装置，以此装置，射流方向可快速改变，并且不会有很大的重量损失。

（e）通过对飞行器的设计，推进射流可被引导以一个靠近翼板顶部表面的角度，这样飞行器的上升高度可相当大地提高。图7中图示的实施例提供了使射流达到这一偏转的装置。

（f）悬浮火箭已被计划使用装载作导弹诱骗装置，这种火箭需要其承载射流能从一个方向朝另一个方向快速偏转，以保持稳定性。图7中图示的实施例提供的装置可以以此方式使主射流或一个或多个次射流偏转。

（g）航天器在缺少重力和空气动力的升阻力时，必须依靠反作用力来保持姿态和飞行高度。一般可通过小射流装置达到这一目的，小射流可设置在与航天器所需的运行方向相反的那一点上。图7中图示的实施例的矢量推进可提供一简单并更可靠的装置以达到所要的反作用方向。

（h）通过在炮弹的底部点燃一小火箭马达， 可提高从大型火炮中射出的炮弹的准确性和范围。在这一应用中，点燃装置的可靠性是严格的，因此在本发明的应用性中也是严格的。

（i）Expresso咖啡机-气流射流可使咖啡/奶油产生泡沫而没有喷溅的可能性。

（j）从铁到钢的基本氧气转化。宁可氧气吹管（例如以陶瓷制成）的实际浸入是可能的，也不必依靠通过高速的氧气射流达到的熔体表面的浸透，从而减少了氧气的消耗。

Claims (20)

1、一种流体混合装置，包含：一个壁结构限定的腔，它带有一个流体入口和一个通常设置在该入口对面的流体出口；至少在上述入口和出口之间的空间部分，上述腔的横截面要大于上述入口的横截面；它还包括使全部占据上述入口的第一流体的流动与上述出口上游的壁结构分离的流动分离装置；其特征在于上述流动分离装置和上述出口间的距离相对于该腔的宽度应足够的长，以使分离出的流动自身不对称地重新附着到出口上游的腔壁结构，并经该出口不对称地喷出该腔，由此，在上述流动分离和上述重新附着之间的腔中，使上述重新附着状态下的第一流体的逆向流动和/或通过上述出口引自腔外部的第二流体的流动形成涡施，并由此产生上述分离/重新附着流动的旋进，这种旋进增强了该流体与腔外部的第二流体的混合；它进一步包含一个在所述流体出口处设置的以造成或增大在重新附着的旋进流动中的横向分速度的周向的阻碍装置。

2、根据权利要求1的流体混合装置，其特征在于所述的壁结构、腔、入口、出口和流动分离装置是轴向对称的。

3、根据权利要求1或2的流体混合装置，其特征在于所述的流体出口的横截面大于流动分离处腔的横截面。

4、根据权利要求1或2的流体混合装置，其特征在于所述的流体入口是一个邻接的单一开口，它在第一流体进入腔中时不将其分开。

5、根据权利要求1或2的流体混合装置，其特征在于它进一步包括在所述的混合过程中减少间歇现象的装置。

6、根据权利要求5的流体混合装置，其特征在于所述的减少间歇现象的装置包含一个设置在所述的腔内或刚好在所述的流体出口外的物体。

7、根据权利要求1或2的流体混合装置，其特征在于所述的流动分离装置和所述的出口间的距离与重新附着处腔的直径的比大于1.8。

8、根据权利要求7的流体混合装置，其中所述的比值约为2.7。

9、根据权利要求1或2的流体混合装置，其特征在于所述的流动分离装置是由从上述流体入口进入上述腔中的一个入口旋口的发散所提供的。

10、根据权利要求1或2的流体混合装置，其特征在于它进一步包含收缩上述的腔至上述流体出口的燃烧瓦管装置。

11、带有燃烧喷嘴的燃烧设备，该设备包含权利要求1或2的流体混合装置。

12、一种混合两种流体的方法，包括使两种流体之一的流体的流动与壁结构分离，和因此使该流动偏转或允许其偏转一个锐角角度，其特征在于使分离出来的流动自身不对称地重新附着到壁结构，由此旋进，所述的旋进使所述的流动和到该腔室出口的另一流体的流动混和，通过在出口阻碍所述的流动，以诱导或增大在该重新附着旋进流动的横向速度分量。

13、根据权利要求12的方法，其特征在于所述的偏转了的流体也引起发散。

14、一种混合第一和第二流体的方法，它包含让第一流体进入腔内，以形成与腔壁结构分离开的流动，其特征在于它还包含让分离了的流动自身不对称地重新附着到出口上游的壁结构处，并通过该出口不对称地喷出腔外，该出口通常设置在已进入的流动的对面;以及在出口处阻碍上述流动来造成或增大在重新附着的旋进流动中的横向分速度。

由此，在上述流动分离和上述重新附着之间的腔中，使上述重新附着的第一流体的逆向流动和/或通过上述出口引自腔外部的第二流体混合以便形成涡旋，并由此产生上述分离/重新附着流动的旋进，这种旋进增强了该流动与腔外的第二流体的混合。

15、根据权利要求14的方法，其特征是所述的流动通过出口喷出时，它是发散的。

16、一种流体流动控制装置，包含：一个壁结构限定的腔，它带有一个液体入口和一个通常设置在该入口对面的流体出口;至少在上述入口和出口之间的空间部分，上述腔的横截面要大于上述入口的横截面，和使全部占据上述入口的第一流体的流动局部地与上述出口上游的壁结构分离的流动分离装置;其特征在于流动分离装置与上述出口之间的距离相对于腔的长度应足够地长，以使局部分离了的流动通过上述出口从腔外部诱发第二流动，并使第二流动影响局部分离的流动，后者以此随着流动分离朝腔的相同一侧的方向不对称地喷出该腔，并且所述的出口包括一个对流动起作用并增强该流动喷出出口时的不对称方向的周向阻碍装置。

17、根据权利要求16的流体流动控制装置，其特征是所述的入口是一个光滑的收敛-扩散限流装置，该装置同一突出装置或其它扰动装置一起，安装在其最小横截面的一侧，或靠近最小横面的一侧，以产生上述的局部分离。

18、根据权利要求17的流体流动控制装置，其特征在于所述的突出装置是可取出的和/或可相对进行圆周运动的，使之能够控制喷出流动的方向。

19、根据权利要求17的流体流动控制装置，其特征在于所述的突出装置包含多个分别安装在分离装置上的元件，以使这些元件能以不同的方位和圆周位置缩进或伸出到限流装置内部。

20、根据权利要求1或2的流体流动控制装置，其特征在于限流装置是非轴向对称的。

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