CN103280213A - 湍流共振流体发声器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种湍流共振流体发声器，其利用由收敛形喷嘴出来的射流与带有凹槽的障体相互作用，使液体介质发生扰动，对喷嘴附近的射流产生反作用，从而在喷嘴与障体之间产生交变的压力场和速度场，激励共振杆的固有振动，进而发射声波，能够有效克服传统簧片哨所存在的关键技术缺陷，取代传统的簧片哨在废水处理中广泛应用，本发明的结构设计简单，成本低，声压振幅大，能有效提高脉动区域的压力场强度和空化强度，同时共振杆的振动能将声波传播得更远，这样空化区域的范围也随之增加，在应用于废水处理中时可有效提高和强化超声波废水处理效果，适于工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及流体发声研究技术领域，特别是一种湍流共振流体发声器。
背景技术
近二十几年来，我国的水体污染十分严重，造成水污染的主要污染源为工业污染废水、农业污染废水和城市生活污水。尤其是难降解的“三致”（致癌、致畸、致基因突变）有机污染物，它们不仅大量消耗水体中的溶解氧，使水体失去自我净化的能力，而且能长期在环境中的存在，并通过食物链侵入到人体中并逐步积累，对人体健康已构成了严重威胁。同时，由于水体的污染，造成许多水资源无法再利用，从而加重了水资源的匮乏程度,影响了环境的可持续利用和经济的可持续发展。因此，寻求新的方法和技术对流量大、污染物多且又成分复杂的工业、农业污染废水进行有效地、深度处理，将为水资源的再利用创造条件。
采用物理方法进行水处理，受到了广泛的关注，由于其不产生二次污染，被称为“绿色水处理”。其中的超声空化法，因可以廉价简易地集高温、高压、机械剪切和破碎为一体，为物理方法进行有机污染物降解和水体净化处理创造了特殊的形式。目前为止，这些研究基本上还局限在实验室小样处理阶段。原因是常规的电动式超声（如压电式和磁致式换能器所产生的超声）若要实现将声空化处理水体的应用从实验室规模“放大”到生产规模。遇到的瓶颈是：（1）需要大功率的超声换能器和大功率超声信号发生器；（2）大功率的换能器和发生器耗能大，能量利用率低（只有5%～10%），装置复杂、制造和维修困难；（3）由于换能器安装及其辐射形式，决定了声空化区域停留在换能器附近，难以分散到大的流体空间，从而导致处理效果无法达到实验室小型试验的效果；因此，国内外声空化研究者把探讨和研究声波处理大流量液体的方法聚焦在流体动力发声器上。
早期的簧片哨就是水力声空化流体动力发声器的重要代表之一，它的出现为声学应用中的声波产生带来了新的方法。尤其是簧片哨在应用于解堵、防垢、增注、除蜡、降粘、均化乳化、粉碎、促进化学反应以及对水体消毒和氯酚系列的降解等方面显示出独特的效果，曾受到应用的关注。但是，簧片哨在污水处理方面的应用受到很大限制，主要有：（1）声压振幅难以大幅度提高而导致难以进一步提高空化强度；（2）簧片不易准确地找到节点以设置支撑点；（3）在粘滞媒质中和含有硬粒子的悬浮液体中难以激发簧片振动等，为簧片哨的广泛工程应用带来了困难。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种能有效提高脉动区域的压力场强度大和空化强度且结构设计简单、成本低的湍流共振流体发声器。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：在入口盘与底盘之间并列设置有4～8个共振杆，入口盘的中心加工有向内延伸的收敛形喷嘴，喷嘴的入口直径d与出口直径d0之比为1：0.3～0.6，优,1：0.5，底盘的中心设置有顶部开有凹槽的障体，障体顶部与喷嘴出口的距离L为凹槽开口直径D的0.2～0.6倍，优选0.4倍，凹槽的开口直径D与喷嘴出口直径d0之比为1：1.0～1.17，优选1:1.1，凹槽深度为1～10mm，优选6mm，共振杆的直径为1.5～2mm，优选1.8mm，共振杆侧壁与喷嘴侧壁的最小间距为1.5～3mm，优选2mm。
在喷嘴内可以设置有一端延伸至凹槽底部的中心杆，中心杆的直径是喷嘴出口直径的0.4～0.8倍。
上述凹槽的槽壁厚度为2～3mm。
本发明的湍流共振流体发声器，利用由收敛形喷嘴出来的射流与带有凹槽的障体相互作用，使液体介质发生扰动，对喷嘴附近的射流产生反作用，从而在喷嘴与障体之间产生交变的压力场和速度场，激励共振杆的固有振动，进而发射声波，能够有效克服传统簧片哨所存在的关键技术缺陷，取代传统的簧片哨在废水处理中广泛应用，本发明的结构设计简单，成本低，声压振幅大，能有效提高脉动区域的压力场强度和空化强度，同时共振杆的振动能将声波传播得更远，这样空化区域的范围也随之增加，在应用于废水处理中时可有效提高和强化超声波废水处理效果，适于工业化应用。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例4的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。
实施例1
由图1可知，本实施例的湍流共振流体发声器是由入口盘1、喷嘴2、中心杆3、共振杆4、障体5以及底盘6连接构成。
本实施例的入口盘1是用不锈钢材料制成的圆板，在入口盘1的中部加工有直径为20mm的入口，该入口向内延伸形成一个由大到小收敛形的喷嘴2，喷嘴2的深度H1为48mm，出口直径为10mm，即喷嘴2的入口直径d与出口直径d0之比为1：0.5，在入口盘1的下方安装有圆形的不锈钢底盘6，在底盘6的中部与喷嘴2同轴设置有障体5，障体5为顶部加工有凹槽的腔体结构，障体5的外围与喷嘴2外围等径，凹槽的开口直径D为喷嘴2出口直径d0的1.1倍，即11mm，深度H2为6mm，壁厚为3mm，障体5的顶部距喷嘴2出口的距离L为4.4mm，即为凹槽开口直径D的0.4倍，为了提高脉动区域的压力场强度，在障体5的凹槽底部焊接连接有一个直径为6mm的中心杆3，即中心杆3的直径为0.6d0，中心杆3与喷嘴2、障体5同轴设置，该中心杆3的另一端延伸至喷嘴2内，末端与入口盘1通过连接筋连接。本实施例的入口盘1与底盘6的外围通过4个共振杆4连接支撑，4个共振杆4的中心轴均与喷嘴中心轴平行，且均匀分布在同一圆周上，共振杆4采用锰合金材质制成，两端分别焊接在入口盘1与底盘6上，其直径为1.8mm，为了达到最好的振动效果，每个共振杆4的侧壁距离喷嘴2侧壁的最小间距为2mm。
使用时，喷嘴2的进水压力满足4～10个大气压，进水射流进入喷嘴2内，遇到障体5后发生扰动，对喷嘴2附近的射流产生反作用，在喷嘴2与障体5之间产生交变的压力场和速度场，从而激励共振杆4的固有振动，产生声波。
实施例2
本实施例的入口盘1是用不锈钢材料制成的圆板，在入口盘1的中部加工有直径为20mm的入口，该入口向内延伸形成一个收敛形的喷嘴2，喷嘴2的深度H1为48mm，出口直径为6mm，即喷嘴2的入口直径d与出口直径d0之比为1：0.3，在入口盘1的下方安装有圆形的不锈钢底盘6，在底盘6的中部与喷嘴2同轴设置有障体5，障体5为顶部加工有凹槽的腔体结构，障体5的外围与喷嘴2外围等径，凹槽的开口直径D与喷嘴2出口直径d0相等，即6mm，深度H2为1mm，壁厚为2.5mm，障体5的顶部距喷嘴2出口的距离L为1.2mm，即为凹槽开口直径D的0.2倍，为了提高脉动区域的压力场强度，在障体5的凹槽底部焊接连接有一个直径为2.4mm的中心杆3，即中心杆3的直径为0.4d0，中心杆3与喷嘴2、障体5同轴设置。本实施例的入口盘1与底盘6的外围通过6个共振杆4连接支撑，共振杆4直径为2mm，每个共振杆4的侧壁距离喷嘴2的最小间距为1.5mm。
其它的部件及其连接关系与实施例1相同。
实施例3
本实施例的入口盘1是用不锈钢材料制成的圆板，在入口盘1的中部加工有直径为20mm的入口，该入口向内延伸形成一个收敛形的喷嘴2，喷嘴2的深度H1为48mm，出口直径为12mm，即喷嘴2的入口直径d与出口直径d0之比为1：0.6，在入口盘1的下方安装有圆形的不锈钢底盘6，在底盘6的中部与喷嘴2同轴设置有障体5，障体5为顶部加工有凹槽的腔体结构，障体5的外围与喷嘴2外围等径，凹槽的开口直径D为喷嘴2出口直径d0的1.17倍，即14.04mm，深度H2为10mm，壁厚为2mm，障体5的顶部距喷嘴2出口的距离L为8.424mm，即为凹槽开口直径D的0.6倍，为了提高脉动区域的压力场强度，在障体5的凹槽底部焊接连接有一个直径为9.6mm的中心杆3，即中心杆3的直径为0.8d0，中心杆3与喷嘴2、障体5同轴设置，该中心杆3的另一端延伸至喷嘴2内，末端与入口盘1通过连接筋连接。本实施例的入口盘1与底盘6的外围通过8个共振杆4连接支撑，共振杆4均匀分布在同一圆周上，其直径为1.5mm，每个共振杆4的侧壁距离喷嘴2的最小间距为3mm。
其它的部件及其连接关系与实施例1相同。
实施例4
在本实施例中，参见图2，湍流共振流体发声器是由入口盘1、喷嘴2、共振杆4、障体5、底盘6连接构成。入口盘1是用不锈钢材料制成的圆板，在入口盘1的中部加工有直径为8mm的入口，该入口向内延伸形成一个收敛形的喷嘴2，在入口盘1的下方安装有圆形的不锈钢底盘6，在底盘6的中部与喷嘴2同轴设置有障体5，障体5为顶部加工有凹槽的腔体结构，本实施例的入口盘1与底盘6的外围通过共振杆4连接支撑，共振杆4均匀分布在同一圆周上。
上述每个部件及其连接关系与实施例1～3相同。
Claims (4)
1.一种湍流共振流体发声器，其特征在于：在入口盘（1）与底盘（6）之间并列设置有4～8个共振杆（4），入口盘（1）的中心加工有向内延伸的收敛形喷嘴（2），喷嘴（2）的入口直径d与出口直径d0之比为1：0.3～0.6，底盘（6）的中心设置有顶部开有凹槽的障体（5），障体（5）顶部与喷嘴（2）出口的距离L为凹槽开口直径D的0.2～0.6倍，凹槽的开口直径D与喷嘴（2）出口直径d0之比为1：1.0～1.17，凹槽深度为1～10mm，共振杆（4）的直径为1.5～2mm，共振杆（4）侧壁与喷嘴（2）侧壁的最小间距为1.5～3mm。
2.根据权利要求1所述的湍流共振流体发声器，其特征在于：在喷嘴（2）内设置有一端延伸至凹槽底部的中心杆（3），中心杆（3）的直径是喷嘴（2）出口直径的0.4～0.8倍。
3.根据权利要求1所述的湍流共振流体发声器，其特征在于：所述凹槽的槽壁厚度为2～3mm。
4.根据权利要求1所述的湍流共振流体发声器，其特征在于：所述喷嘴（2）的入口直径d与出口直径d0之比为1：0.5，障体（5）顶部与喷嘴（2）出口的距离L为凹槽开口直径D的0.4倍，凹槽的开口直径D与喷嘴（2）出口直径d0之比为1：1.1，凹槽深度为6mm，共振杆（4）的直径为1.8mm，共振杆（4）侧壁与喷嘴（2）侧壁的最小间距为2mm。
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