CN103153477A - 分形孔板 - Google Patents

Abstract

具有终端的管路，其中靠近终端的是孔板，其中孔板具有至少一个孔，孔带有至少一个周长，该至少一个周长为分形模式，其中管路可以是用于流体的喷嘴组件，其中喷嘴组件的实施例包括燃料喷射器，淋浴喷头，龙头，喷嘴头，其中与各个喷嘴的终端连接的具有分形模式的孔板提供下游喷射模式。

Description

分形孔板

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2010年9月9日提交的申请号为61/381,425的美国临时专利申请的优先权，该申请通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于流体雾化的具有模式的孔板。更具体地，本发明涉及带有至少一个为分形模式的孔的孔板。

背景技术

流体雾化是许多工业生产过程的关键部分。为了雾化流过管道的流体，可以利用通常所称的文丘里效应，也就是说，当流体流过管道的狭窄部分时导致流体压力减小。用于产生该效应的常用的且低成本得装置是孔板。标准的单个开口孔造成穿过孔的压降，从而引起文丘里效应，然后其可以用于雾化流体。实际上，雾化度由压降的幅度决定。压降越大，雾化越好。近来的研究已经表明，新的孔的几何形状可以在产生较大的压降方面更有效率。分形几何形状已经在稳态流条件下进行研究，但是并未在管道终端处的孔中研究。

标准的单圆孔已经应用超过100年了。本发明在孔设计中引入完全的几何图形上的改变。在此我们提出一种新的设计，该设计利用自相似多尺度模式的多孔开口。在此的优点在于两方面：多开口的自相似结构增加了有效的孔的周长面积比。这样进而增加所称的边界层(存在于任何受限粘性流体流中的现象)的横截面面积，这在维持相同的平均流速的同时减小孔的有效面积，从而在相同的孔面积下获得较大的压降。另一方面，孔的多尺度设计在流体流中引发多尺度湍流结构。增加的湍流强度进一步降低下游压力，这产生较大的压力差。因此，有两种独立的物理机制导致压降的增大，从而导致更好的雾化。

具有分形模式的孔板已经被用于计量流体流量。该孔板已经用于减少在孔板之后的湍流，并且利用分形模式提供与针孔式孔相比减小的穿过孔板的压降。在上述的任何参考内容中都没有建议这样的计量板当位于管路的终端处在高压降的情况下使用时将提供改进的流体雾化。

发明内容

本发明涉及具有终端的管路，其中靠近终端的是孔板。该孔板具有分形模式。该管路具有直径，所述孔板位于距所述终端三倍直径长度的范围内。

在一个实施例中，用于流体流的喷嘴组件具有用于上游流的管路，所述管路的终端用于下游喷雾，还具有靠近所述终端的孔板，该孔板具有分形模式。

从以下提供的详细描述中，本发明适用的更多领域将变得清楚。应当理解的是，详细说明和具体实施例在描述本发明的优选的实施例时，仅仅是出于示例的目的，并且并不意味着限制本发明的范围。

附图说明

从详细说明和附图，将获得对本发明更完全的理解，图中：

图1是在其终端带有分形孔板的燃料喷射器的立体图。

图2A是单个针型孔的二维数值模拟的瞬时涡度isoplot(注：制图软件)图。

图2B是三阶谢尔宾斯基(Seirpinsky)地毯分形孔的二维数值模拟的瞬时涡度isoplot图。

图3是结合到喷嘴头中的分形孔的立体图。

图4是复合谢尔宾斯基地毯分形孔的立体图。

图5是包含分形孔的凸缘的立体图。

图6是用作雨水管的入口和沟槽入口例如检修口的盖的分形孔的立体图。

图7是阿波罗网络分形孔的放大的立体图。

图8是在距管路的终端三倍直径长度范围内具有分形板的喷嘴的立体图。

具体实施方式

下文中对优选的实施方式的描述实际上仅仅是示例性的，无论如何也不意味着限制本发明及其应用和用途。

本发明的实质是通过在管路(30)或其他装置的端部放置分形模式孔(20)来雾化和计量流体，从而改变喷射模式或计量流体。图1显示了本发明的一个实施例，其将被用于燃料喷射器(10)或其它用以喷射石油基燃料或烃类燃料，例如汽油、柴油燃料、天然气或丙烷的孔中。通常，该孔设计对于在期望没有输入更多能量的前提下提高流体雾化、汽化或湍流控制度是有益的。简而言之，该设计是更有效的。典型的单开口孔设计基于物理几何形状的限制已经完全最优化了。因此，为了进一步地最优化，需要新的几何形状。由于以下几种特征，分形几何形状提供了一种解决方案：大的周长面积比，无标度性自相似性和非整数维数或分形维数。以下我们给出各个实施例。

对于传统几何形状，分形维数，D_f，等于拓扑维数，因此对于任何传统的孔D_f＝2。对于此处考虑的分形几何形状，我们有1＝D_f＝2。近来已经显示穿过分形格栅的压降取决于分形维数。特别地，对于D_f＜2的数值，标准化的压降更大，例如当D_f＝1.67时，其有大约15％的增量。随着分形孔应用到雾化喷嘴，15％的压差增量差不多相当于45％的流速增量，产生的流体雾化效果差不多是相同的初始压力下的两倍。

该设计的另一应用是利用多尺度自相似性来控制内燃机中的燃料喷射中的湍流。当产生燃料喷射时，高的局部湍流水平由在喷口附近的大速度梯度产生。尽管该直接、喷射产生的湍流预计将很快地衰减，但是残余的湍流可以通过平均流量传递到下游腔室，表明出现了产生湍流的局部源头。区分残余的喷射产生的湍流与流结构产生的附加的晚期循环湍流是很困难的，但是这对于理解以及从而最优化内燃过程来说是很重要的。

已经显示了在风洞中利用空间填充正方形分形格栅，在特定情况下，湍流衰减变成指数级的。特别地，大涡流的主要持久性不能保持，因为在通过格栅下游的临界距离之后，积分尺度变得恒定。特别地，泰勒微尺度(Taylormicroscale)保持恒定。因此，与更普遍的幂定律相反，湍流强度衰减率变成指数级。对于燃料喷射，分形孔现在可以在喷射引发的湍流中允许指数级衰减，这能够更有效地与晚期循环湍流解耦合。

图2A和2B分别显示了单个针型孔和三阶谢尔宾斯基地毯分形孔之间的示意性比较的二维数值模拟图。显示的涡度isoplot图是在相同的风洞构造和在相同时间步骤的流动条件下的。从定性方面看，针型孔显示了大尺度的各向异性和非均匀性湍流，导致不可预测的流动条件。另一方面，分形孔显示了更好限定的同质的涡流形成。事实上，对完全瞬时模拟的分析揭示了周期性的涡流发散，其在给定的参数约束下，指数级地衰减。

该分形设计的另一个应用利用大的周长面积比来通过边界层形成控制有效节流孔面积，从而更好地汽化液体。在任何受限的粘性流中，例如所述的通过孔的流，在孔的侧壁和与其接触的流体质点之间存在有摩擦力。对于理想的近似，接触侧壁的流体不流动。对于任何粘性流体，剪切应力在力出现时存在。这样，靠近但是不与侧壁接触的流体对接触侧壁的不移动的流体产生反应，在垂直于侧壁的方向上产生速度梯度。在远离侧壁的某个点上，剪切应力已经显著地减小，因此流体速度几乎是自由流速度。就是该点限定了区分边界层的区域的边缘。大家公认的实践经验是，任何受限的粘性流可以在很大程度上通过将流动分解成其自由流和边界层部分来估计。假设自由流几乎与任意限制的几何形状相等，我们可以看到，穿过孔的流由边界层本身确定。边界层通过与限制的几何形状的相互作用而产生，尤其是与流体进行接触的表面积越大，相互作用越复杂。这样，大的周长面积比导致更显著的边界层形成，由此对孔的流量有更多控制。

举例来说，考虑具有单位半径(任意单位)的单个针型圆孔板，其周长和面积分别等于2π和π。这给出的周长面积比为2。然后，考虑相同面积的三阶谢尔宾斯基地毯分形模式(25)孔板(图3)。容易看出，相应的周长面积比为大约16。对于相同孔板面积几乎是大一阶的幅度。相应地，有效的孔面积减小了，由此可以获得更大的压降。

在本质为汽化液体而不利用额外的能量的应用中，可以使用分形孔。在大部分液相到气相变换的过程中，在温度和压力之间存在简单的关系。特别地，液体的汽化压力是给定温度将气体凝结为液体所需的大气压力。通常，高温确定高压，反过来也是这样。给液体加热到汽化，将始终要求能量的输入。然而，如果不能获得用于加热的能量，降低流中的压力是可行的。在一些应用中，与相等孔面积的单个针型孔相比，利用分形孔将在下游压力中产生多至60％的降低。例如，当对水进行汽化时，这相当于差不多25％的所需热量的减少。

在本发明的实施例中，分形孔可用于雾化燃料。分形孔的性能是标度不变的，且孔的尺寸没有限制，但是对于该实施例，可将分形孔用在具有1.5毫米燃料管(管路)的燃料喷射系统中。分形孔可以由有适当刚性的和耐腐蚀的材料制造，例如不锈钢，大约175微米厚。可以使用三阶谢尔宾斯基地毯模式，其具有的孔的开口从144微米到48微米到16微米。在较小尺度的应用中，孔的开口可以小至纳米范围。在优选的实施例中，最大的开口足够允许总流量的一半流过孔。

分形孔还可以与家用淋浴器和龙头结合以提供期望的喷射模式。分形孔(20)与喷嘴头(90)的终端(40)结合的实施例如图3所示。分形孔(20)通过帽(35)保持在位置上，该帽固定到管路(30)的终端(40)。管路(30)是典型的管道。在一个实施例中，帽永久地连接到分形孔(20)。

图8提供了具有带有直径长度d的终端(40)的管路(30)的实施例。分形孔(20)，通过点线指示，在距终端(40)三倍直径长度(3d)范围内插入管路(30)的内部。

如图4所示，分形孔的其他的用途是在雨水管和沟槽的出口的盖(50)中。该应用考虑到雨水径流的期望喷射模式。雨水径流经常将泥土和碎片冲蚀到小河和池塘中，导致对原生动植物的污染和破坏。水径流的喷射模式不太可能侵蚀土壤和将泥土和碎片输送到小河和池塘中。这样的盖可以用于沿着道路、停车场、公路、高尔夫球场的水流，任何水积聚和径流的场所都是可考虑的。

分形孔还可以与凸缘(80)结合。可以使用分形孔板(20)的凸缘的实施例如图5所示。该凸缘可以利用螺栓通过孔(85)固定。孔板可以用于建筑物、水系统、污水管道系统和/或其他的位置的入口，其中凸缘将用于保持孔。

图6和7是两种孔板(20)的图，它们具有至少一个属于分形模式的孔(60)。在图7中，至少一个孔(60)是阿波罗网络分形，其是几何形状的自相似重复。

本发明的带有分形设计的孔的理论流率提供在下表中。这些流率已经利用经典一阶近似计算作为初始估计值。

用于计算通过使用孔板的水平管的不可压缩的、非粘性的层流流体流的体积流率的方法是公知的。可以假定准稳态以将伯努利方程化简为对能量守恒的命题(statement)。将该命题与连续性方程结合得出简单的代数表达式，用于在一阶近似中表示流量比率，该代数表达式如以下的公式2所示： $Q=C_{V}A\sqrt{2(P-P^{\′})/\mathrm{\ρ}}$ 公式2

在上面的公式中，Q是体积流率，C_v是孔流量系数，A是孔的有效截面面积，P是上游流体压力，P′是下游流体压力，ρ是流体密度。此外，边界层效应、粘性和湍流已经被忽略了。

表格：迭代n次之后在压力(P.S.I.)下的体积流率(G.P.M.)

对于上述的表格数值，使用的孔板的尺寸是0.394英寸的半径，流体假定为在标准状态(STP)下的水。下游压力设定为14.696psi，孔流量系数设定为0.620。

在该喷嘴的模拟中，下游压力假定为大气压，流体假定为水，孔流量系数设定为额定值。由上述的其他实施例可知，可能的是，喷嘴出口压力与大气压不同，且流体不必是水，例如当分形模式孔用于燃料喷射器时。

本发明附加的实施例包括用于孔板(20)的安装装置，其中的螺纹边缘可以永久地连接到板的周边，或者板可以形成为永久地连接到管路(30)并且形成一整体。在这些实施例中设想的是，对于上游流的任何管路，所述管路的终端用于下游喷射，其具有一靠近所述终端的孔板，无论该孔板是如何安装就位或连接的。

所选择和描述的实施例是用于向本领域技术人员最好地解释本发明的原理及其实际应用。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对如上所述的参考附图描述的示例性实施例做出不同的修改，这意味着包含在前面的描述中和显示在附图中的所有内容应当解释为说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的外延和范围不应当由任何上述示例性的实施例限制，而是应当仅仅根据附带在此的随后的权利要求及其等价物限定。

Claims (20)

1.用于流体的喷嘴组件，该喷嘴组件包括：

用于上游流的管路；

所述管路的终端，该终端用于下游喷射；和

靠近所述终端的孔板；

其中所述孔板包括分形模式。

2.根据权利要求1的喷嘴组件，其中所述管路具有直径，所述孔板位于距所述终端三倍直径长度的范围内。

3.根据权利要求1的喷嘴组件，其中所述分形模式包括在几何形状上的自相似迭代。

4.根据权利要求1的喷嘴组件，其中所述管路选自燃料喷射器、淋浴喷头、龙头和喷嘴头。

5.根据权利要求1的喷嘴组件，其中所述分形模式是谢尔宾斯基地毯分形。

6.根据权利要求5的喷嘴组件，其中所述分形模式是三阶谢尔宾斯基地毯分形。

7.根据权利要求1的喷嘴组件，其中管路是燃料喷射器，当燃料从分形孔排出时，燃料被汽化或雾化。

8.用于流体的出口覆盖系统，该系统包括：

包括端部的管路；

在所述端部处的开口；和

靠近所述开口的孔板，其中所述孔板包括分形模式。

9.根据权利要求8的出口覆盖系统，其中所述管路是雨水管，其中所述端部是近端，所述孔板是雨水管出口。

10.根据权利要求8的出口覆盖系统，其中所述端部是终端，所述管路选自燃料喷射器、淋浴喷头、龙头和喷嘴头。

11.根据权利要求8的孔板，其中所述分形模式是谢尔宾斯基地毯分形。

12.根据权利要求8的孔板，其中所述分形模式是三阶谢尔宾斯基地毯分形。

13.根据权利要求10的孔板，其中所述管路是燃料喷射器，当燃料从分形孔排出时，燃料被汽化或雾化。

14.用于流体的喷嘴组件，该喷嘴组件包括：

用于上游流的管路；

所述管路的终端，该终端用于下游流；和

靠近所述终端的孔板；

其中所述孔板包括分形模式；和

其中所述分形模式包括在几何形状上的自相似迭代。

15.根据权利要求14的喷嘴组件，其中所述孔板通过永久地连接到板的帽安装在所述管路上。

16.根据权利要求14的喷嘴组件，其中所述孔板永久地直接安装在管路上。

17.根据权利要求16的喷嘴组件，其中所述所述管路选自燃料喷射器、淋浴喷头、龙头和喷嘴组件头。

18.根据权利要求14的喷嘴组件，其中所述管路具有直径，所述孔板位于距所述终端三倍直径长度的范围内。

19.根据权利要求17的喷嘴组件，其中在所述分形模式中的最大开口允许总流量的一半流过孔板。

20.根据权利要求18的喷嘴组件，其中在所述分形模式中的最小开口为纳米级别。

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