CN103861748B - 推挽外激励式射流振荡发生器 - Google Patents

推挽外激励式射流振荡发生器 Download PDF

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Abstract

一种推挽外激励式射流振荡发生器，以外部调制切换流动的微流量压力流体，对主射流同时施加垂直推力和在反方向抽吸的作用，使主射流做附壁切换振荡。该发生器避免了自激励振荡所固有的射流能量损失大、起振困难和振荡频率不易调节等缺陷，具有能量损失很小，容易起振，振荡频率任意可调，能与负载匹配等优点，可用于静止式气波制冷机、和其他需要振荡或脉冲射流的应用装置中，取得能量转换效率高、成本低、运行可靠等经济效果。

Description

推挽外激励式射流振荡发生器
技术领域
本发明属于射流和流体流动控制技术领域，涉及一种推挽外激励式射流振荡发生器。
背景技术
随着社会和生产力的发展进步，对于简单、高效、免维护的流体设备的需求越来越高，许多新型流体设备应运而生。在这中间，控制带压流体产生振荡或脉冲射流的装置，有许多重要的用途。例如用于强力破碎、切割、清洗吹扫，强化传质传热、混合、气曝、喷淋等。而在流体压力能的有效利用方面，静止式气波制冷机直接使带压气体膨胀制冷，具有结构简单、无磨损、免维护、耐高压等特点，在利用余压压力能等方面，能产生很大的经济效益和社会效益。
依靠不对称湍流旋涡催生的自激振荡，可产生液体脉冲射流。而利用流体的附壁（koanda）效应，再施加周期性的激振力，就能实现向流道两侧不断切换附壁的振荡射流。以尖角形的分流劈，将主射流流道叉开，分成两条、或多条呈一定夹角的扇形排布的流道，则主射流就会轮流进入各条流道，在每一条流道中都生成脉冲射流。静止式气波制冷机就是依靠这种摆动的振荡射流，分配气体到扇形排布的各个接受管中，再由气体活塞效应，产生压缩波输出能量，和产生膨胀波制冷。
目前的静止式气波制冷机中，以及其他用途的附壁振荡射流，其周期性激振力，是由主射流作用于其流道侧边开口相连通的回流管和空腔，产生正反馈、或由气体弹性产生周期性激励扰动，通过侧壁开口作用于主射流的附壁一侧，使主射流脱壁，和摆向另一侧壁，产生振荡射流。根据激励作用原理的差别，分成音波振荡、正反馈振荡和共鸣腔振荡等数种。
然而，除了初始起振困难，和受加工流道几何尺度所规限的压力波传输时差相位所定，振荡周期不能调整改变等不足之外，振荡射流的能量损失大，是这种自激励附壁振荡的最大缺陷。为能获得所须的激励强度，射流流道侧壁的激励开口必须足够宽大，才能触发和维持振荡。但这样开放旁通的边界条件，会产生大的分流，并严重破坏主射流的有序流动，产生强烈的紊流与旋涡，导致损失工作流体大量的能量。因此，目前静止式气波制冷机的效率不足40%，其中自激振荡射流损失就占了相当的比例。
静止式气波制冷机等一些振荡射流应用设备，为能与工作部分的几何尺寸相匹配，获得最好的效果，对振荡频率的准确性要求很高，而自激振荡的振荡频率却很难任意调节，导致匹配不好，效率进一步降低。
发明内容
本发明提供一种高效低损失、初始起振容易、振荡频率任意可调的流体振荡发生装置——推挽外激励式射流振荡发生器。
本发明推挽外激励式射流振荡发生器，摒弃了依靠主射流自身分流分压，来产生激励推力的常规自激励模式，而采用从外部、即在射流喷嘴入口之前截取微量的流体，经过调制形成两股反相位（一股流动时另一股停顿）、时长与幅度对称的微流量脉冲流，将其导入射流振荡发生器的垂直推动激励口，和平行抽吸激励口，以二者共同的激励作用，取代主射流的自激励，获得一种推挽外激励式的射流振荡发生器。
因外激励流的激励强度要比射流自激励大的多，故需流量微小，其流道侧面激励开口的尺寸可以大幅度减小，对主射流的流动干扰很小，而本发明特有的平行激励流与主射流的速度矢量和压力参数几乎相等，只相当于略微增加了射流宽度，不会造成射流能量的损失。因此这种一压一吸的推挽外激励方式，能极大地降低主射流的能量损失。将本发明用于静止式气波制冷机，可以大幅度地提高其制冷效率。
本发明所采取的创新技术解决方案为：
在本发明推挽外激励式射流振荡发生器中，一共设有四个微小的外激励口，两两配对，导入外部调制的两股反相位周期变化的微量压力流体，作用于主射流，激励其做附壁切换振荡。其中，一对激励口分置于主射流的两侧，从该对的2个激励口轮流射入两股反相位激励流的一部分，该部分激励流垂直于主射流，轮流推动主射流做左、右偏转。除此之外，还特别设置了分置于主射流出口两侧的另外一对激励口，从该对的2个激励口轮流射入两股反相位激励流的另一部分，该部分激励流平行于主射流，在主射流的两侧轮流造成低压区，轮流抽吸主射流向相自己的一侧偏转。所施加的垂直与平行激励流的相位，在主射流的左和右侧、右和左侧同步出现，一侧抽吸的同时，对侧则垂直推动，因此使主射流更容易向这一侧偏转切换附壁。在启动振荡阶段，这种协同激励力度也无丝毫的降低，因此很容易起振。而自激励式附壁振荡发生器，由于压力波梯度须靠切换突变才能生成和发展，故在启动振荡阶段激励作用微弱，不易起振。
由于同时施加了垂直激励的推、和平行激励的拉这两种外激励的协同作用，故将本发明命名为推挽外激励式射流振荡发生器。
从分置于主射流出口两侧激励口流出的激励流，会在主射流的两侧轮流产生低压区，单独施加一定流量的此激励流，也能使主射流回转附壁产生振荡。且此平行激励流直接汇入主射流，不会使主射流产生能量损失。更是由于有此平行激励的协同，故垂直激励的强度就可更小，即主射流两侧流道壁上的垂直激励口可以开的更小，一方面更降低了对主射流流动的干扰，另一方面，垂直激励流的流量减至很小，主射流携带它需消耗的动能也很小。
本发明的有益效果是：
获得一种能量损失很小（振荡脉冲射流出口的总压保持比率可达90%以上），起振容易，振荡频率任意可调的射流附壁振荡发生器，在降低射流能量损失的同时，还因振荡频率可任意调节，能与负载完全匹配，从而能使工作部分达到最高效率。本发明用于静止式气波制冷机、和其他需要振荡或脉冲射流的应用装置，可取得能量转换效率增高、成本低、使用方便等经济效果。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1为本发明推挽外激励式射流振荡发生器的结构简图。
图2为本发明发生器机体上的射流附壁振荡流道和激励流道简图。
图3为本发明发生器的上盖板顶视图。
图4为本发明发生器的底视图。
图中，1上盖板，2激励流入口管A，3激励流入口管B，4压力流体入口管，5机体，6平行激励流导入管A，7平行激励流导入管B，8底板，9垂直激励导入流道A，10垂直激励口A，11平行激励口A，12平行激励导入流道A，14平行激励导入流道B，13压力流体缓冲腔，14平行激励导入流道B，15喷嘴流道，16平行激励口B，17主射流流道，18垂直激励导入流道B，19垂直激励口B，20分流劈，21分叉流道A，22振荡射流出口A，23振荡射流出口B，24分叉流道B。
具体实施方式
本发明推挽外激励式射流振荡发生器的一种典型的实施方式描述如下，但不只局限于此种实施方式：
本发明推挽外激励式射流振荡发生器，主要由机体5、上盖板1、底板8、压力流体入口管4、激励流入口管等组成。在机体5上，对称于其中轴线，加工出一定深度的、最大值可为机体全厚度的压力流体缓冲腔13、喷嘴流道15、主射流流道17，和对称的分叉流道21与分叉流道24；本发生器的特征在于：在主射流流道17的左、右两侧壁，对称开有垂直激励口A10和垂直激励口B19，以及垂直激励导入流道A9和垂直激励导入流道B18；且又在喷嘴流道15出口的左、右两侧，对称开有平行激励口A11和平行激励口B16，以及平行激励导入流道A12和平行激励导入流道B14；上盖板1在与垂直激励导入流道A9和垂直激励导入流道B18外端的投影重合位置，对称安装一对激励流入口管A2和激励流入口管B3，两管的内开口分别与垂直激励导入流道A9和垂直激励导入流道B18连通；又在底板8与机体5上的垂直激励导入流道A9、垂直激励导入流道B18的外端、和平行激励导入流道A12、平行激励导入流道B14外端的投影重合位置，分别对称地钻一对通孔，共两对四个通孔均与各自的轴向投影所对位的机体5上的各个导入流道相通；并且这四个通孔的两两之间，在底板8的外部用两根平行激励流导入管A6和平行激励流导入管B7，进行跨越流道对称轴的左、右斜交叉互连，使左侧的垂直激励导入流道A9与右侧的平行激励导入流道B14相通，右侧的垂直激励导入流道B18与左侧的平行激励导入流道A12相通。以使左侧的垂直激励与右侧的平行激励同步，右侧的垂直激励与左侧的平行激励同步。
本发明推挽外激励式射流振荡发生器，在机体5上加工出对称的分叉流道A21、分叉流道B24之后，会自动形成楔形的固体壁分流劈20；分叉流道A21和分叉流道B24为等截面直流道、或宽度渐缩的锥流道，数量为2～6条，其流道宽度为喷嘴流道15出口宽度的1.1～5倍，高度与主射流流道17相等，为喷嘴流道15出口高度的0.9～2倍。
本发明推挽外激励式射流振荡发生器，其喷嘴流道15为渐缩式流道，其出口宽度和高度根据射流流量而定，宽度范围为1～100毫米，高度即深度范围为1～200毫米。
本发明推挽外激励式射流振荡发生器，其主射流流道17的宽度，为喷嘴流道15出口宽度的1.1～4倍，主射流流道17的长度为喷嘴流道15出口宽度的2～20倍。
本发明推挽外激励式射流振荡发生器，在主射流流道17的左、右两边侧壁上，对称开设的垂直激励口A10和垂直激励口B19，其口高度等于或小于主射流流道17的高度，其口宽度为喷嘴流道15出口宽度的0.05～0.5倍。
本发明推挽外激励式射流振荡发生器，在喷嘴流道15出口的左、右两侧，对称开设的平行激励口A11和平行激励口B16，其口高度等于或小于主射流流道17的高度，其口宽度为喷嘴流道15出口宽度的0.05～0.5倍。
本发明推挽外激励式射流振荡发生器，在主射流流道17的左、右两边侧壁上对称开设的垂直激励口A10和垂直激励口B19，与喷嘴流道15出口的距离，为主射流流道17长度的30～100％。
本发明推挽外激励式射流振荡发生器的工作机理叙述如下：
带压流体从压力流体入口管4进到压力流体缓冲腔13，再经喷嘴流道15加速成高速射流；在激励振荡的上半周期，主射流流道17一侧壁的垂直激励口A10，和在另一侧壁上游、喷嘴流道17出口旁的平行激励口B16，同时流入激励流体，使主射流向平行激励口B16这一侧偏转附壁；而在激励振荡的下半周期，外部调制控制会阻断垂直激励口A10和平行激励口B16的激励流体，而在另一侧对称的垂直激励口B19、和平行激励口A11，将同时流入激励流体，再使主射流向另一侧偏转附壁；不断快速反复上述过程，主射流就产生了振荡，并在其后的各个分叉流道A21和B24中，形成脉冲射流，最后从振荡射流出口A22和振荡射流出口B23交替流出。
进入激励流入口管A2和激励流入口管B3的激励流体，必须先调制成两股半周期切换的微脉冲流，将垂直激励口A10和平行激励口B16连接其一股脉冲流，而垂直激励口B19和平行激励口A11连接其另一股，第一股脉冲流存续时，第二股流截止，反之亦然。
外激励微脉冲流的调制可由机械驱动、或电磁驱动的切换阀、平动或转动的分流机构，或超磁致伸缩材料等器件完成。由于外激励流体的流量很小（主射流的10%以内），因此调制过程比较简单，成本也较低。
本发明推挽外激励式射流振荡发生器的运行参数如下：
外激励频率即主射流的附壁振荡频率：1～1000Hz；
带压流体入口压力范围：0.05～20MPa；
振荡脉冲射流出口的总压保持比率：85～95%。

Claims (9)

1.一种推挽外激励式射流振荡发生器，包括机体(5)，上盖板(1)、底板(8)、压力流体入口管(4)、激励流入口管A(2)和激励流入口管B(3)，在机体(5)上，对称于其中轴线，开有深度最大值为机体全厚度的流体缓冲腔(13)、喷嘴流道(15)、主射流流道(17)，和对称的分叉流道A(21)与分叉流道B(24)；其特征在于：主射流流道(17)的左、右两侧壁，对称开有垂直激励口A(10)和垂直激励口B(19)、垂直激励导入流道A(9)和垂直激励导入流道B(18)；喷嘴流道(15)出口的左、右两侧，对称开有平行激励口A(11)和平行激励口B(16)、平行激励导入流道A(12)和平行激励导入流道B(14)；上盖板(1)在与垂直激励导入流道A(9)和垂直激励导入流道B(18)外端的投影重合位置，对称安装一对激励流入口管A(2)和激励流入口管B(3)，两管的内开口分别与垂直激励导入流道A(9)和垂直激励导入流道B(18)连通；又在底板(8)与机体(5)上的垂直激励导入流道A(9)、垂直激励导入流道B(18)的外端、和平行激励导入流道A(12)、平行激励导入流道B(14)外端的投影重合位置，分别对称地钻一对通孔，共两对四个通孔均与各自的轴向投影所对位的机体(5)上的各个导入流道相通；四个通孔的两两之间，在底板(8)的外部用两根平行激励流导入管A(6)和平行激励流导入管B(7)，进行跨越流道对称轴的左、右斜交叉互连，使左侧的垂直激励导入流道A(9)与右侧的平行激励导入流道B(14)相通，右侧的垂直激励导入流道B(18)与左侧的平行激励导入流道A(12)相通。
2.如权利要求1所述的推挽外激励式射流振荡发生器，其特征在于：在机体(5)上加工出对称的分叉流道A(21)、分叉流道B(24)之后，形成楔形的固体壁分流劈(20)；分叉流道A(21)和分叉流道B(24)为等截面直流道或宽度渐缩的锥流道，数量为2～6条，其流道宽度为喷嘴流道(15)出口宽度的1.1～5倍，高度即深度与主射流流道(17)相等，为喷嘴流道(15)出口高度即深度的0.9～2倍。
3.如权利要求2所述的推挽外激励式射流振荡发生器，其特征在于：喷嘴流道(15)为渐缩式流道，其出口宽度和高度根据射流流量而定，宽度范围为1～100毫米，高度即深度范围为1～200毫米。
4.如权利要求1、2或3所述的推挽外激励式射流振荡发生器，其特征在于：其主射流流道(17)的宽度，为喷嘴流道(15)出口宽度的1.1～4倍，主射流流道(17)的长度，为喷嘴流道(15)出口宽度的2～20倍。
5.如权利要求4所述的推挽外激励式射流振荡发生器，其特征在于：在主射流流道(17)的左、右两边侧壁上，对称开设的垂直激励口A(10)和垂直激励口B(19)，其口高度等于或小于主射流流道(17)的高度，其口宽度为喷嘴流道(15)出口宽度的0.05～0.5倍。
6.如权利要求4所述的推挽外激励式射流振荡发生器，其特征在于：在喷嘴流道(15)出口的左、右两侧，对称开设的平行激励口A(11)和平行激励口B(16)，其口高度等于或小于主射流流道(17)的高度，其口宽度为喷嘴流道(15)出口宽度的0.05～0.5倍。
7.如权利要求5所述的推挽外激励式射流振荡发生器，其特征在于：在喷嘴流道(15)出口的左、右两侧，对称开设的平行激励口A(11)和平行激励口B(16)，其口高度等于或小于主射流流道(17)的高度，其口宽度为喷嘴流道(15)出口宽度的0.05～0.5倍。
8.如权利要求4所述的推挽外激励式射流振荡发生器，其特征在于：在主射流流道(17)的左、右两边侧壁上对称开设的垂直激励口A(10)和垂直激励口B(19)，与喷嘴流道(15)出口的距离，为主射流流道(17)长度的30～100％。
9.如权利要求5、6或7所述的推挽外激励式射流振荡发生器，其特征在于：在主射流流道(17)的左、右两边侧壁上对称开设的垂直激励口A(10)和垂直激励口B(19)，与喷嘴流道(15)出口的距离，为主射流流道(17)长度的30～100％。
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