CN102069049B - 自激吸气式脉冲射流喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自激吸气式脉冲射流喷嘴，包括自激振荡腔腔体(1)、上喷嘴(2)、碰撞体(3)、下喷嘴(4)、吸气孔(5)、进水段(6)、气动阀门(7)。其特征在于：自激振荡腔腔体(1)上设置了自动进气的吸气孔(5)，上喷嘴(2)固定在自激振荡腔腔体(1)的入口端，碰撞体(3)与下喷嘴(4)合为一体后固定在自激振荡腔腔体(1)出口端。它是一种低压大流量自激吸气式脉冲射流喷嘴。本发明的不同结构参数配比可形成不同频率的脉冲射流，产生不同大小交替变化的冲击力，与现有技术相比冲击力得到较大的提高，可应用在不同水深的水库清淤中，特别适合于大型深水水库泥沙的起悬输移工程中。
Description
技术领域
本发明涉及水下清淤和清污领域，尤其涉及一种深水水库库底泥沙起悬输送的自激吸气式脉冲射流喷嘴。
背景技术
我国江河大多泥沙含量大，所建水库淤积严重，使水库兴利和防洪效益下降，带来很多问题和不利影响，严重影响了水库的使用寿命，给国家带来了巨大损失。多年来，我国在水库排沙减淤方法上和水库清淤技术上取得了一些研究成果，但这些方法和技术大多应用在较小的水库清淤中，清淤规模较小，基本在500万m3以下，而对于淤积量上亿m3的大型水库，特别是大型深水水库泥沙处理难度更大，以往的清淤技术难以奏效，甚至无法工作。如何解决深水水库淤积泥沙的起动和输移问题，是大型水库清淤排沙的关键。
目前，广泛应用的自激(无吸气)振荡脉冲射流喷嘴是利用流体的不稳定流动特征，通过调整连续射流的流动参数和结构参数，将射流的初始振荡通过反馈和放大，形成了瞬时能量比连续射流高几倍的脉冲射流。自激振荡脉冲射流喷嘴是一种产生脉冲射流的新型装置，主要应用于工业切割、表面清洗、钻探和材料破碎等，它用于深水水库库底淤积泥沙的破碎起动比其他泥沙起动技术效率高，但由于深水水库库底的空气含量低，使起动的泥沙难以悬浮和长距离输送，给深水水库淤积泥沙高效处理带来了不利的影响。为解决自激振荡脉冲射流喷嘴的主要技术问题，本发明提出了一种自激吸气式脉冲射流喷嘴。
发明内容
本发明针对大型深水水库库底泥沙难以起动、悬浮和输移，而提供的一种自激吸气式脉冲射流喷嘴。它体积小，结构简单，整体性好，便于制造、安装和维护，具有较大的脉冲液气射流冲击力，以现有技术相比，提高了库底泥沙冲刷力、增加了悬浮高度和输移距离，尤其适合于大型深水水库泥沙处理的工程应用中。
本发明的目的可通过下述技术措施来实现：
本发明提供的一种自激吸气式脉冲射流喷嘴，包括自激振荡腔腔体、上喷嘴、碰撞体、下喷嘴、吸气孔、进水段和气动阀门。在自激振荡腔腔体入口端固定上喷嘴，上喷嘴进口断面与自激振荡腔腔体入口断面重合，在自激振荡腔腔体出口端固定碰撞体，碰撞体内固定下喷嘴，并在自激振荡腔腔体的下游端上对称设置吸气孔，使自激振荡腔腔体内形成了圆柱形的自激吸气式振荡腔腔室；进水段与上喷嘴连接，气动阀门与吸气孔连接。
自激吸气式脉冲射流喷嘴，不需外加任何激励源，仅靠上喷嘴射出的高速液体本身在振荡腔室内形成自激脉动负压状态，将空气自动吸入到腔室内与脉动液体混合，产生强烈的自激液气脉动流，通过下喷嘴出口形成液气脉冲射流，比相同工况下的自激液体射流的冲击力提高20％～50％，比相同工况下的连续射流冲击力提高1倍以上，自激吸气式脉冲射流是一种新型高效脉冲射流。另外，自激吸气式脉冲射流喷嘴还有一大优点，即在深水水库库底泥沙清淤中，本发明产生的脉冲液气射流除将泥沙冲击起动外，脉冲液气射流中的气体还可将冲起泥沙的悬浮高度增加200mm～400mm，使泥沙输送的距离增加1000m～3000m。由于自激吸气式脉冲射流喷嘴无任何旋转部件，而且吸气孔在自激振荡腔腔体上自动的进入空气，无需增加其它充气装置，因此自激吸气式脉冲射流喷嘴结构简单、体积小，密封性好，可靠性高，便于制造、安装和维护，成本大大降低。自激吸气式脉冲射流喷嘴的不同结构尺寸配比，可产生不同频率的液气脉冲射流，可以在不同的领域得到应用。
前述的自激振荡腔腔体的截面为圆环形等截面，其厚度由自激振荡腔腔室内的脉动压力确定，厚度为8mm～10mm；圆柱形自激振荡腔腔室的直径和长度由能否形成自激吸气的液气脉动压力和涡环气团活动的空间来确定，直径为85mm～125mm，长度为40mm～120mm。
前述的上喷嘴为圆锥形收缩截面，上喷嘴进口直径与进水管直径相同，上喷嘴的收缩角在13°左右。
前述的碰撞体为圆台环形截面；碰撞体沿射流方向的扩散角在90°～120°。
前述的下喷嘴为圆环形等截面；下喷嘴的直径和长度由能否形成液气脉冲射流来确定，直径为10mm～24mm，长度为50mm～70mm；下喷嘴与碰撞体中心线重合为一体；下喷嘴的进口截面与碰撞体上端面重合。
前述的吸气孔应对称的布置在自激振荡腔腔体的下游端；吸气孔的直径应由自激振荡腔腔室的脉动负压和吸气量或者形成的液气脉冲射流强度来决定，直径为2.5mm～4mm。
本发明的有益效果如下：
本发明提出的一种自激吸气式脉冲射流喷嘴的特征在于：液气脉冲射流可分成能量蓄积冲击和能量释放冲击两个阶段。当自激吸气式脉冲射流喷嘴放入水库库底时，通过该喷嘴产生的液气脉冲射流，在能量蓄积阶段，射流冲击力小，在能量释放阶段，射流冲击力大，这种冲击力的交替变化使得泥沙淤积表面产生松弛效应，降低了被冲击泥沙淤积表面的强度，改善冲击效果，从而提高了射流的冲刷能力。同时，液气脉冲射流中的气体使冲起的泥沙颗粒悬浮高度增大，泥沙的输送距离相应得到了增大。
附图说明
附图为本发明的结构和两个阶段液气脉冲射流冲击示意图
图1为本发明的剖视图
图1附图标记为：1自激振荡腔腔体；2上喷嘴；3碰撞体；4下喷嘴；5吸气孔；6进水段；7气动阀门。
图2为本发明能量蓄积阶段的液气脉冲射流冲击图
图2附图标记为：1自激振荡腔腔体；2上喷嘴；3碰撞体；4下喷嘴；5吸气孔；6进水段；7气动阀门；8液气脉冲射流束发散；10冲击物。
图3为本发明能量释放阶段的液气脉冲射流冲击图
图3附图标记为：1自激振荡腔腔体；2上喷嘴；3碰撞体；4下喷嘴；5吸气孔；6进水段；7气动阀门；9液气脉冲射流束密实；10冲击物。
具体实施方式
本发明以下将结合实例(附图)作进一步描述：
如图1为本发明一种自激吸气式脉冲射流喷嘴，包括自激振荡腔腔体(1)、上喷嘴(2)、碰撞体(3)、下喷嘴(4)、吸气孔(5)、进水段(6)和气动阀门(7)。在图1所示自激振荡腔腔体(1)入口端固定上喷嘴(2)，上喷嘴(2)进口断面与自激振荡腔腔体(1)入口断面重合。在图1所示的自激振荡腔腔体(1)出口端固定碰撞体(3)，碰撞体(3)内固定下喷嘴(4)，并在自激振荡腔腔体(1)的下游端上对称设置吸气孔(5)，使自激振荡腔腔体(1)内形成了圆柱形的自激吸气式振荡腔腔室。将图1所示的进水段(6)与上喷嘴(2)连接，气动阀门(7)与吸气孔(5)连接。将图1所示的自激吸气式脉冲射流喷嘴放入到距水库库底淤积面有效射程范围内(有效射程范围由库底淤积泥沙的固积强度和自激吸气式脉冲射流产生的射流强度来确定)，且与库底淤积面成60°～90°的射流冲角。
在水库库底清淤工作中，一定压力流量的液体通过上喷嘴(2)高速射出，高速射流与腔室内的液体形成剪切流动，产生不稳定的涡流向下游传播，当与碰撞体(3)相互作用时，由于碰撞体(3)沿射流方向是扩散截面，且与自激振荡腔下游腔室形成了一个碰撞区，因此在碰撞区产生的涡旋向上游反射，此时碰撞区处于脉动负压状态，空气自动的经吸气孔(5)进入到碰撞区内与该区内的脉动液体混合产生涡环气团，涡环气团向上游移动并逐渐增大，当涡环气团与上喷嘴(2)射出的高速液体射流产生的涡旋相碰后，涡环气团破灭，此时在自激振荡腔腔室内产生强烈的自激振动，通过下喷嘴(4)形成了能量蓄积(涡环气团增大的过程)冲击和能量释放(涡环气团破灭)冲击两个阶段的液气脉冲射流，这样就形成了低压大流量两个阶段的液气脉冲射流。
如图2为本发明能量蓄积阶段的液气脉冲射流冲击图，包括自激振荡腔腔体(1)、上喷嘴(2)、碰撞体(3)、下喷嘴(4)、吸气孔(5)、进水段(6)、气动阀门(7)、液气脉冲射流束发散(8)和冲击物(10)。本发明产生的涡环气团在自激振荡腔腔室内向上游移动并逐渐增大的过程，正是自激振荡腔腔室内脉冲液气能量蓄积阶段，通过下喷嘴(4)形成的能量蓄积冲击的液气脉冲射流束发散(8)，冲击在冲击物(10)上，冲击面积大，冲击力迅速下降。
如图3为本发明能量释放阶段的液气脉冲射流冲击图，包括自激振荡腔腔体(1)、上喷嘴(2)、碰撞体(3)、下喷嘴(4)、吸气孔(5)、进水段(6)、气动阀门(7)、液气脉冲射流束密实(9)和冲击物(10)。本发明产生的涡环气团在自激振荡腔腔室内向上游移动并逐渐增大，当涡环气团与上喷嘴(2)射出的高速液体射流产生的涡旋相碰后，涡环气团破灭，此时正是自激振荡腔腔室内脉冲液气能量释放阶段，通过下喷嘴(4)形成的能量释放冲击的液气脉冲射流束密实(9)，冲击在冲击物(10)上，冲击面积小，冲击力大。
本发明产生的能量蓄积冲击(如图2所示)和能量释放冲击(如图3所示)两个阶段的液气脉冲射流，形成的冲击力的交替变化可使得冲击物体产生松弛效应，降低冲击物体的强度，改善冲击效果，提高了冲刷能力，同时液气脉冲射流中的气体对冲击物颗粒具有悬浮的作用。自激吸气式脉冲射流喷嘴特别适合应用于大型深水水库库底泥沙的起动与输移。
Claims (2)
1.一种自激吸气式脉冲射流喷嘴，用于深水水库库底泥沙起悬输送，包括自激振荡腔腔体(1)、上喷嘴(2)、碰撞体(3)、下喷嘴(4)、吸气孔(5)、进水段(6)和气动阀门(7)；其特征在于：沿所述的上喷嘴(2)出口速度方向在所述的自激振荡腔腔体(1)入口端固定上喷嘴(2)，上喷嘴(2)进口断面与自激振荡腔腔体(1)入口断面重合，在自激振荡腔腔体(1)出口端固定所述的碰撞体(3)，碰撞体(3)内固定所述的下喷嘴(4)，下喷嘴(4)的进口截面与碰撞体(3)的上端面重合；自激振荡腔腔体(1)、上喷嘴(2)、碰撞体(3)和下喷嘴(4)固结为一整体后的中心线在一条直线上；自激振荡腔腔体(1)沿上喷嘴(2)出口速度方向的截面为圆环形的等截面，厚度为8mm～10mm；在自激振荡腔腔体(1)的下游端上对称设置所述的吸气孔(5)，使自激振荡腔腔体(2)内形成了圆柱形的自激吸气式振荡腔腔室，该自激吸气式振荡腔腔室直径为85mm～125mm，长度为40mm～120mm；所述的吸气孔(5)为自动进气的吸气孔；所述的进水段(6)与上喷嘴(2)连接，上喷嘴(2)的进口直径与进水段(6)的进水管直径相同；所述的气动阀门(7)与吸气孔(5)连接；吸气孔(5)对称布置在自激振荡腔腔体(1)的下游端；吸气孔(5)的直径为2.5mm～4mm；上喷嘴(2)具有一个圆锥形收缩截面，其收缩角为13°；碰撞体(3)沿上喷嘴(2)出口速度方向的逆方向“凸”出的截面为圆台环形截面，碰撞体(3)沿上喷嘴(2)出口速度方向的扩散角为90°～120°；所述的下喷嘴(4)的截面为圆环形的等截面；所述的下喷嘴(4)的直径为10mm～24mm，长度为50mm～70mm。
2.如权利要求1所述的自激吸气式脉冲射流喷嘴，其特征在于：施加于所述的上喷嘴(2)上的工作压力P0≤2MPa，工作流量Q0为8m3/h～40m3/h，通过所述的吸气孔(5)的吸气量Qs为1m3/h～6m3/h。
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