CN105435976B - 一种自激振荡气体射流辅助雾化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自激振荡气体射流辅助雾化装置，该装置设有连通的入口、振荡腔、反馈回路和气体喷口，及独立设置的液体喷口；其中，所述入口接通振荡腔，该振荡腔的出口连通所述气体喷口，在振荡腔出口附近设有若干条反馈回路返回连接到所述振荡腔的入口处；所述液体喷口靠近气体喷口，并在结构上独立于上述四部分，用于产生液体射流，在振荡气流的作用下雾化。利用气体介质的振荡加速液体的破裂，主要用于液体雾化、清洗等领域。该装置不需要任何可动部件，使用方便，结构简单、紧凑。通过使用本发明的装置，将气体介质的自激振荡，作用于液体射流，加速液体射流的破裂，进而改善复杂流体的雾化效果，有效提高液体火箭发动机的燃烧效率和比冲。

Description

一种自激振荡气体射流辅助雾化装置

技术领域

本发明涉及应用复杂流体雾化的领域，具体涉及一种自激振荡气体射流辅助雾化装置。

背景技术

振荡射流在液体雾化、强化换热、清洗、切割等领域有重要应用。当射流从喷口喷出时，自激振荡会加速射流失稳，从而促进射流的破碎及雾化。利用流体接近凸出的固体表面时会改变其运动方向的性质——即柯安达效应，以及流体反馈回路，可实现气体射流的自激振荡。对于强化换热，振荡射流会破坏边界层，提高对流换热系数，使换热加强。在射流切割和清洗领域，振荡的射流会提高冲击效果。以往使射流产生振荡的方法都是外加可往复运动的机构对射流进行强迫扰动，而往复运动机构往往结构复杂，会增加很多额外的重量和维护成本。

目前，随着航天动力装置对高能源的追求，含金属颗粒的推进剂成为推进剂的一个重要发展方向。然而，添加金属成分虽能提高推进剂的比冲等参数，但却使推进剂的粘度极大地提高，甚至呈现非牛顿流体的性质。此类添加有金属成分的复杂流体难于雾化，而目前火箭发动机中针对复杂流体雾化的使用，仍是常规的牛顿流体雾化方法及常规喷嘴，但由于复杂流体区别于普通推进剂，其具有高粘度的特性，造成这些常规的雾化方法和喷嘴的雾化效果并不理想，而且这些喷嘴往往结构复杂，制造成本高。因此，设计出能对复杂流体产生良好雾化效果的喷嘴是未来推进系统中应用高能推进剂的关键技术之一。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种自激振荡气体射流辅助雾化装置。

本发明提供了一种自激振荡气体射流辅助雾化装置，该装置设有连通的入口、振荡腔、反馈回路和气体喷口，及独立设置的液体喷口；其中，所述入口接通振荡腔，该振荡腔的出口连通所述气体喷口，在振荡腔出口附近设有若干条反馈回路返回连接到所述振荡腔的入口处；所述液体喷口靠近气体喷口，并在结构上独立于上述四部分，用于产生液体射流，在振荡气流的作用下雾化。

在一些实施例中，优选为，所述入口的形状向振荡腔方向为收缩状，所述振荡腔为沿入口向出口由窄渐宽的长方体空腔，在所述振荡腔出口处设有用于阻挡部分振荡腔的出口的凸起。

在一些实施例中，优选为，所述凸起的形状为三角形、方形或其它形状。

在一些实施例中，优选为，所述振荡腔的出口处，气体喷口处设有楔形物体，将气体喷口分为两个气体喷口，所述液体喷口设于两个气体喷口之间。

一种自激振荡气体射流辅助雾化装置，包括主板和与主板密封盖合的盖板，所述主板设有如上所述的入口、振荡腔、反馈回路、气体喷口和液体喷口；在所述盖板上对应所述入口相应的位置设有气体管接头，对应所述液体喷口相应的位置设有液体管接头。

在一些实施例中，优选为，所述主体和盖板用螺栓固定。

在一些实施例中，优选为，所述主体和盖板之间设有橡胶圈。

本发明的自激振荡气体射流辅助雾化装置，利用柯安达效应及流体逻辑反馈，使气体介质产生周期性振荡并经气体喷口喷出，产生自激振荡的射流，并通过振荡的气体射流作用于液体射流，改善液体的雾化效果，可用于液体雾化、清洗等领域。

由于本发明设有两个气体喷口，两个气体喷口的气体射流交替喷出，而液体喷口处的液体射流连续喷出，由于伯努利效应的影响，气流速度较大时，气体压力较小，液体射流上下方向所受压力不同，此压力差使液体射流能够加速破裂。

通过使用本发明制备的自激振荡气体射流辅助雾化装置，将气体介质的自激振荡，作用于液体射流，加速液体射流的破裂，进而改善复杂流体的雾化效果，有效提高液体火箭发动机的燃烧效率和比冲。

附图说明

图1为本发明自激振荡气体射流辅助雾化原理图。

图2为本发明一优选的主板的结构示意图。

图3为本发明一优选的盖板的结构示意图。

其中，1-入口；2-振荡腔；3-反馈回路；4-反馈回路；5-气体喷口；6-气体喷口；7-楔形物；8-液体喷口；9-凸起；10-主板；20-盖板；11-气体管接头；12-液体管接头；21-振荡腔入口；22-振荡腔出口；23-振荡腔上表面；24-振荡腔下表面；33-螺栓孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面请参考附图并结合实施例来详细说明本发明，附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制。

为了解决目前复杂流体雾化，雾化方法和喷嘴的雾化效果不理想，喷嘴结构复杂，制造成本高等不足，本发明提供一种自激振荡气体射流辅助雾化装置。

实施例1

一种自激振荡气体射流辅助雾化装置：该装置设有连通的入口、振荡腔、反馈回路和气体喷口，及独立设置的液体喷口；其中，所述入口接通振荡腔，振荡腔出口连接所述气体喷口，在振荡腔出口附近设有若干条反馈回路返回连接到振荡腔入口处；液体喷口在结构上独立于上述四部分，用于产生液体射流，在振荡气流的作用下雾化。

具体地，如图1所示，该装置的入口1的形状向振荡腔方向为收缩状，振荡腔2为沿入口向出口由窄渐宽的长方体空腔，在所述振荡腔出口处设有用于阻挡部分振荡腔的出口的凸起9。凸起可在振荡腔出口22处上下均有设置，凸起的形状根据需求可设计为三角形、方形、圆弧形或其它形状。

在振荡腔的上方和下方布置上下两条反馈回路3和4，其均连通振荡腔出口22与振荡腔入口21。

为了形成双股自激振荡间歇射流，在振荡腔的出口22处，气体喷口处设有楔形物体7，将气体喷口分为两个气体喷口5和6，将液体喷口8设于两个气体喷口之间。

结合图1对本发明装置的原理说明如下：气体介质从入口1流入装置内部，进入振荡腔2后形成一股气体射流。这股射流具有双稳态——即在柯安达效应的作用下，射流具有偏转向振荡腔上、下任一表面的可能性，而且偏转向上表面和下表面的概率是相等的。假设射流偏转向振荡腔的上表面，则在振荡腔靠近出口位置会有一小部分射流沿着靠近上表面的反馈回路3流到振荡腔入口位置。沿反馈回路流到振荡腔入口21位置的小股射流与主射流相互作用，使得主射流偏离振荡腔上表面23，转而偏转向振荡腔下表面24。在靠近振荡腔出口22位置，一小部分射流沿着靠近下表面24的反馈回路4流到振荡腔入口21位置，使得主射流又偏转向振荡腔上表面23。该过程周而复始，从而在振荡腔2内引起周期压力振荡。当主射流从气体喷口喷出时，形成自激振荡的射流。这股振荡的气体射流作用在由液体喷口8喷出的液体射流表面，加速了液体射流的雾化。

气体振荡对液体的作用表现在两个方面，首先，气流射流振荡引起了喷口处的振荡以及外界气体介质的振荡，振荡增大了液体射流初始扰动的幅度以及液体射流扰动的增长速率；其次，气流高速运动，间歇分别喷出两个气体喷口，由于伯努利效应，当气体由喷口5喷出时，下方压力大于上方压力，会使液体射流向上方运动，在半个周期后，气体由喷口6喷出，上方压力大于下方压力，液体射流向下方运动，由于振荡频率较快，上述过程迅速进行，液体射流受到强烈的振荡作用，迅速破裂并雾化。

该装置工作时，气体流入后经入口1加速，形成主射流从振荡腔入口21喷入振荡腔2。根据柯安达效应，气体射流有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。因此气体射流在振荡腔2内流动时，具有偏转向振荡腔2的上、下表面的倾向，而且偏转向上表面23和下表面24的概率是相等的，即气体射流具有双稳性。

气体射流在随机因素的作用下向上表面23偏转，在流到振荡腔出口22时，主射流从楔形物体7上方气体喷口5喷出，形成相位为0°的主射流。同时，一小部分气体从反馈回路3流向振荡腔入口21。这一小部分气体在振荡腔入口21处与主射流发生相互作用，使得主射流偏转向下表面24。气体射流沿着下表面24流到振荡腔出口22时，主射流从楔形物体7下方气体喷口6喷出，形成与前一股从楔形物体7上方喷出的主射流相位相差180°的第二股主射流。同时，又有一小部分气体从反馈回路4流向振荡腔入口21，在此与主射流发生作用，使得主射流再次偏转向上表面23，此过程得以循环进行，从而产生在楔形物体7上、下方间歇喷射的两股气体射流。

由于本装置内气体为高速气流，此过程进行极快，在喷口处的间歇射流振荡剧烈。在液体喷口8处供给液体，产生液体射流，流出喷口的液体射流在外部强烈振荡的气流作用以及气流振荡对液体喷口造成的振荡作用下会迅速破裂，加之气液之间的伯努利效应的作用，使得液体雾化效果得到明显的改善。

本发明通过气体射流的自激振荡，加强对复杂流体如粘弹性等非牛顿流体的雾化效果，改善雾化细度，提高雾化质量。

实施例2

一种自激振荡气体射流辅助雾化装置，主要包括主板与主板密封盖合的盖板，主板上具体设置有如实施例1所述的入口，振荡腔，反馈回路，气体喷口，液体喷口。

如图2所示，主板10上设置有：入口1连接振荡腔2，振荡腔2连接气体喷口5和6，在振荡腔出口附近有上下两条反馈回路3和4连接到振荡腔入口21处；液体喷口8在结构上独立于上述四部分。

如图3所示，在盖板20上对应入口相应的位置设有气体管接头11，对应所述液体喷口相应的位置设有液体管接头12。

主板与盖板利用螺栓连接，组装盖板与主板。具体可在主板和盖板对应开设有螺栓孔33，主板与盖板对应盖合后，螺栓穿过螺栓孔后，采用螺母拧紧，是主板与盖板紧密密封盖合。

为了进一步加强主板与盖板之间的密封性能，可在主板与盖板之间加设密封圈。

进行雾化时，首先由气体管接头11提供气体，待气体喷口处出现稳定的振荡现象后，由液体管接头12提供液体，通过上述气体与液体的相互作用，得到稳定的喷雾。相对于不通入气体时，此喷嘴产生喷雾的速度快，雾化细度更高。

本发明制备的自激振荡气体射流辅助雾化装置，利用气体介质的振荡加速液体的破裂，主要用于液体雾化、清洗等领域。该装置不需要任何可动部件，使用方便，结构简单、紧凑。用于液体火箭发动机时，将气体介质如富氧燃气的自激振荡，作用于液体如煤油射流，加速液体射流的破裂，进而改善复杂流体的雾化效果，有效提高液体火箭发动机的燃烧效率和比冲。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种自激振荡气体射流辅助雾化装置，其特征在于，该装置设有连通的入口、振荡腔、反馈回路和气体喷口，及独立设置的液体喷口；其中，所述入口接通振荡腔，该振荡腔的出口连通所述气体喷口，在振荡腔出口附近设有若干条反馈回路返回连接到所述振荡腔的入口处；所述液体喷口靠近气体喷口，并在结构上独立于上述四部分，用于产生液体射流，在振荡气流的作用下雾化。

2.如权利要求1所述的辅助雾化装置，其特征在于，所述入口的形状向振荡腔方向为收缩状，所述振荡腔由沿气流运动方向由窄渐宽的锥形空腔和位于所述锥形空腔尾端的长方体空腔组成，在所述振荡腔出口处设有用于阻挡部分振荡腔的出口的凸起。

3.如权利要求2所述的辅助雾化装置，其特征在于，所述凸起的形状为三角形、方形或圆弧形。

4.如权利要求1所述的辅助雾化装置，其特征在于，所述振荡腔的出口处，气体喷口处设有楔形物体，将气体喷口分为两个气体喷口，所述液体喷口设于两个气体喷口之间。

5.一种自激振荡气体射流辅助雾化装置，其特征在于，包括主板和与主板密封盖合的盖板，所述主板设有如权利要求1-4中任一所述的入口、振荡腔、反馈回路、气体喷口和液体喷口；在所述盖板上对应所述入口相应的位置设有气体管接头，对应所述液体喷口相应的位置设有液体管接头。

6.如权利要求5所述的辅助雾化装置，所述主板 和盖板用螺栓固定。

7.如权利要求6所述的辅助雾化装置，所述主板 和盖板之间设有橡胶圈。