CN106423698B - 一种基于涡环结构的雾化射流方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡环结构的雾化射流方法及其装置，装置包括一个密闭的腔体，所述腔体内设置有一个活塞，所述活塞将腔体内分为两个相互独立的颗粒腔和输运腔，所述活塞在活塞做动系统的作用下沿着所述腔体内移动；所述密闭的腔体外部的一端设置有离子发生器，所述离子发生器的输出端连接到颗粒腔内，所述密闭的腔体外部的另一端与离子发生器对立的端面上设置有收缩喷管，收缩喷管与输运腔连通；所述活塞上设置有带单向阀门的通孔，通孔使得颗粒腔与输运腔导通。本发明采用雾化和输运两个过程独立运行，解决传统喷嘴型雾化射流装置中的效率低，能耗高，雾化颗粒不均匀，输运距离短的缺点。

Description

一种基于涡环结构的雾化射流方法及其装置

技术领域

本发明涉及流体力学领域，具体涉及气液固多相流动，对多相流中细微颗粒的定向输运技术的一种基于涡环结构的雾化射流装置。

背景技术

雾化射流技术是一种在工业生产中常见的技术手段，在工业、农业、医药、气象等诸多领域有着广泛的应用背景。1.各种液体燃烧装置：如内燃机、汽轮机、锅炉、发动机等。雾化过程能显著增大液体的表面积，从而加强传热传质过程，使液体的混合、蒸发和燃烧过程充分，提高燃料的利用率。雾化过程的优化是燃烧装置节能减排的关键技术之一。2.喷涂技术：如纺织复贴技术、热喷涂中的前驱物合成。其基本过程是将粘胶或液态的前驱物通过喷嘴进行雾化，雾化后的液滴在气流中飞行并撞击基板，随后在基板上摊开、粘贴、凝固而形成薄膜。雾化液滴尺寸适合、分布均匀则有利于提高涂层的均匀性、致密性和粘贴强度等质量指标。3.多种生产工艺流程：如雾化干燥和湿润、雾化冷却、雾化反应、酸碱蚀刻表面处理、乳化剂的制取等。4.消防灭火、农业灌溉、医用及制药、粉末技术、喷墨打印、喷雾清洗等。

上述雾化射流主要是通过雾化喷嘴装置来实现颗粒的雾化和输运的，雾化喷嘴是利用液体和气体的相对运动产生的摩擦使液体变形破碎，雾化粒径越小需要的摩擦就越大，对应的能耗就很高，另外这种方式的雾化机理十分复杂，导致难以准确控制雾化粒径的分布和均匀性。雾化后的液体被高速气流裹挟形成雾化射流，该股射流在自由界面上存在很强的剪切作用，会使得气流速度衰减很快，在喷嘴参数固定的条件下，射流来流总压p与喷射距离L的平方成正比，也就是说喷射距离要提高1倍，需要的压力则需要提高到原来的4倍，因此需要的能量要大许多。由于射流边缘上的剪切流使得粒子受到指向射流外侧的Saffman升力，导致细小颗粒很快就扩开了，输运距离很短。综上所述，采用喷嘴的雾化射流装置存在如下的固有缺点：

由于大多数的压力能都用于克服表面张力来破碎液体，使得颗粒的输运效率低，能耗高；

由于喷嘴雾化原理复杂，难以准确控制雾化粒径分布和均匀性；

由于细小的颗粒在自由剪切流受Saffman升力，导致颗粒的扩散明显，输运距离小。

参考文献：

钱丽娟, 雾化射流场中粒子运动和传热特性的研究，浙江大学博士学位论文，2010.05

孙晓霞，超声波雾化喷嘴的研究进展，工业炉，2004,26(1):19-24

胡方军，微泵型压电超声波雾化器研究，南京航空航天大学硕士学位论文，2013.03。

发明内容

本发明的主要目的就是设计一种基于涡环结构的雾化射流装置，解决传统喷嘴型雾化射流装置中的效率低，能耗高，雾化颗粒不均匀，输运距离短的缺点。传统的喷嘴型雾化射流装置是雾化和输运两个过程同时进行，而本发明的则将雾化和输运两个过程独立，雾化采用更高效的超声波雾化原理，输运则采用孤立涡环来实现。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于涡环结构的雾化射流方法，包括以下步骤：

步骤一：将需要雾化的介质在粒子发生器中雾化成均匀的细小颗粒，混合输运气体之后成为多相流气体进入装置内的颗粒腔；

步骤二：多相气流通过活塞上的单向阀之后进入到输运腔内；

步骤三：通过活塞做动系统使得活塞向输运腔方向运动，活塞将进入输运腔内的多相流气体进行挤压，使得多相流气体穿过隔板的通孔后变得均匀；

步骤四：均匀的多相气流通过收缩喷管的出口产生一个裹挟着细小颗粒的多相流涡环结构，利用涡环流动结构保持性来对微小颗粒进行输运，该涡环匀速的向外运动直至耗散；

步骤五：涡环结构运动到足够远时，重新循环步骤一和步骤四，从而实现颗粒的源源不断的雾化和输运。

在上述过程中，所述雾化采用超声波雾化技术，利用电子高频震荡，通过压电陶瓷雾化片的高频谐振，将介质变成离散的雾滴颗粒。

在上述过程中，雾化射流的过程中，对于介质的雾化与雾化后的输运为独立分开的两个过程。

本发明还提供一种实现涡环结构雾化射流方法的装置，包括一个密闭的腔体，所述腔体内设置有一个活塞，所述活塞将腔体内分为两个相互独立的颗粒腔和输运腔，所述活塞在活塞做动系统的作用下沿着所述腔体内移动；

所述密闭的腔体外部的一端设置有离子发生器，所述离子发生器的输出端连接到颗粒腔内，所述密闭的腔体外部的另一端与离子发生器对立的端面上设置有收缩喷管，收缩喷管与输运腔连通；

所述活塞上设置有通孔，通孔使得颗粒腔与输运腔导通。

在上述技术方案中，所述输运腔内设置有一个隔板，隔板将输运腔分为两个部分，隔板表面设置有若干个通孔。

在上述技术方案中，所述隔板与活塞平行。

在上述技术方案中，所述活塞上设置有若干个通孔，每一个通孔内设置有阀门。

在上述技术方案中，所述阀门为单向阀门，且阀门从颗粒腔至输运腔导通。

在上述技术方案中，与颗粒腔连接设置有若干个离子发生器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明采用涡环结构来实现颗粒的定向输运。涡环是常见的一种流动现象，例如从吸烟者嘴里吐出的烟圈就是一种涡环，正因为烟气粒子清晰可见，才能明显观察到涡环结构。瞬时射流流向自由空间时，在出口处与静止气体发生剪切，就会形成涡环；本发明解决传统喷嘴型雾化射流装置中的效率低，能耗高，雾化颗粒不均匀，输运距离短的缺点；传统的喷嘴型雾化射流装置是雾化和输运两个过程同时进行，而本发明的则将雾化和输运两个过程独立，雾化采用更高效的超声波雾化原理，输运则采用孤立涡环来实现。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是基于涡环结构的雾化射流装置的结构示意图；

图2是涡环结构的生成原理图；

其中：1是活塞，2是单向阀门，3是粒子发生器，4是活塞做动系统，5是颗粒腔，6是输运腔，7是蜂窝网，8是收缩喷管。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1所示，本发明的基于涡环结构的雾化射流装置，其由活塞，单向阀门，粒子发生器，活塞做动系统，颗粒腔，输运腔，蜂窝网，收缩喷管八部分构成。由于孤立涡环结构具有能量集中、运动均匀，耗散小的特点，所以本发明的基本原理就是通过活塞运动在喷管出口产生孤立涡环来实现对微小颗粒的输运和播撒。其中活塞将整个装置的内部隔离成左边的颗粒腔和右边的输运腔两部分。活塞上均匀分布若干个单向阀门使得含颗粒的多相气流只能从颗粒腔流向输运腔。在装置的左侧均匀分布若干个粒子发生器，例如超声波粒子发生器，其产生的多相流充满颗粒腔。活塞做动系统直接控制活塞按照特定规律运动，在输运腔中产生脉冲式压力波。压力波驱动输运腔中的气流通过蜂窝网后变得均匀，最后在收缩喷管出口处形成一个孤立涡环结构，该涡环结构能够很好的实现对细小颗粒的定向输运。

本发明中的活塞：产生压力波，隔离腔体，承载安装单向阀；

单向阀门：安装在活塞上，使得颗粒和气流只能从颗粒腔向输运腔单向流动；

粒子发生器：产生含有微小颗粒的多相气流，例如通过超声波将液体破碎为微小液体，变成气液两相气流；

活塞做动系统：由计算机程序控制，实现活塞按照给定规律的运动；

颗粒腔：容纳粒子发生器产生的多相气流；

输运腔：容纳待输运的多相气流；

蜂窝网：将压力波驱动的多相气流变得均匀；

收缩喷管：将多相气流收缩加速，由出口喷出成为一个涡环结构。

需要雾化的介质在粒子发生器中雾化成均匀的细小颗粒，混合输运气体之后成为多相流气体进入颗粒腔。这里的雾化是以超声波雾化为代表的雾化技术，是利用电子高频震荡，通过陶瓷雾化片的高频谐振，再结合一定的雾化器结构将流体变成离散的雾滴颗粒的过程。这样得到雾滴颗粒均匀、粒径小，结构简单，通过调节压电陶瓷的驱动电压U和频率f即可控制雾滴的粒径分布、产量，使雾滴颗粒的粒径在10～20微米，这种尺度的粒径流场跟随性已经足够，能够充分确保涡环结构对雾滴的输运效果。

当颗粒腔中充满多相流体之后，活塞向右运动，就会在喷管出口产生一个涡环结构。涡环是涡量场中的一种自封闭的涡流结构，涡动力学的Helmholtz第一定律告诉我们，涡环具有保持性，及某时刻组成涡环的流体质点在以后任意时刻也永远组成涡环，这即为本发明的理论基础。当颗粒在气流中的跟随性足够好的话，涡环能够很好的起到输运作用。相关研究指出，当液滴直径在20微米以下时，就会体现出较好的流动跟随性。如附图2，假定活塞直径为D _pis ，以速度U _pis 向左的位移为L _pis ，喷管出口直径为D _ex ，则可知，喷管出口的速度。根据涡动力学的相关理论可知，涡环的无量纲最佳形成时间为4左右，因此可知活塞的最佳行程L _pis 为，此种条件下，涡环的运动速度U _VR约为出口速度U _ex的1/2。

本发明的整个系统的工作过程为：

初始时，活塞在做动系统的控制下向左运动至活塞行程的左端。

粒子发生器不断将介质雾化成细小颗粒形成多相气流进入颗粒腔，当颗粒腔中的压力足够高时，顶开单向阀，使多相气流流入输运腔，直至多相气流充满输运腔，粒子发生器暂停工作。

活塞在做动系统的控制下按照给定规律向右运动，直至活塞行程的右端，这时颗粒腔体积扩张压力减小，单向阀门自动关闭。

在输运腔中，由于活塞的压缩，产生一道从左至右的压缩波驱动多相流向右运动，多相流在经过蜂窝网之后，流动变得均匀，进一步进过收缩喷管的收缩加速，最终的喷管的出口流出。

喷管流出的多相流在进入自由空间后，在自由流发生剪切作用作用下，多相流卷起成一个独立的涡环结构。根据Helmholtz第一定律，该涡环结构裹挟的细小微粒将一直跟随涡环结构匀速向右运动直至完全耗散。

当涡环运动到下游足够远时，重新循环上述过程。

本发明解决了传统喷嘴型雾化射流装置中的效率低，能耗高，雾化颗粒不均匀，输运距离短的缺点。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种基于涡环结构的雾化射流装置，其特征在于包括一个密闭的腔体，所述腔体内设置有一个活塞，所述活塞将腔体内分为两个相互独立的颗粒腔和输运腔，所述活塞在活塞做动系统的作用下沿着所述腔体内移动；

所述密闭的腔体外部的一端设置有离子发生器，所述离子发生器的输出端连接到颗粒腔内，所述密闭的腔体外部的另一端与离子发生器对立的端面上设置有收缩喷管，收缩喷管与输运腔连通；

所述活塞上设置有通孔，通孔使得颗粒腔与输运腔导通。

2.根据权利要求1所述的一种基于涡环结构的雾化射流装置，其特征在于所述输运腔内设置有一个隔板，隔板将输运腔分为两个部分，隔板表面设置有若干个通孔。

3.根据权利要求2所述的一种基于涡环结构的雾化射流装置，其特征在于所述隔板与活塞平行。

4.根据权利要求1所述的一种基于涡环结构的雾化射流装置，其特征在于所述活塞上设置有若干个通孔，每一个通孔内设置有阀门。

5.根据权利要求4所述的一种基于涡环结构的雾化射流装置，其特征在于所述阀门为单向阀门，且阀门从颗粒腔至输运腔导通。

6.根据权利要求1所述的一种基于涡环结构的雾化射流装置，其特征在于与颗粒腔连接设置有若干个离子发生器。

7.一种基于涡环结构的雾化射流方法，其特征在于，使用如权利要求1-6任一项所述的基于涡环结构的雾化射流装置，包括以下步骤：

步骤一：将需要雾化的介质在粒子发生器中雾化成均匀的细小颗粒，混合输运气体之后成为多相流气体进入装置内的颗粒腔；

步骤二：多相气流通过活塞上的单向阀之后进入到输运腔内；

步骤三：通过活塞做动系统使得活塞向输运腔方向运动，活塞将进入输运腔内的多相流气体进行挤压，使得多相流气体穿过隔板的通孔后变得均匀；

步骤四：均匀的多相气流通过收缩喷管的出口产生一个裹挟着细小颗粒的多相流涡环结构，利用涡环流动结构保持性来对微小颗粒进行输运，该涡环匀速的向外运动直至耗散；

步骤五：涡环结构运动到足够远时，重新循环步骤一和步骤四，从而实现颗粒的源源不断的雾化和输运。

8.根据权利要求7所述的基于涡环结构的雾化射流方法，其特征在于所述雾化采用超声波雾化技术，利用电子高频震荡，通过压电陶瓷雾化片的高频谐振，将介质变成离散的雾滴颗粒。

9.根据权利要求7所述的基于涡环结构的雾化射流方法，其特征在于雾化射流的过程中，对于介质的雾化与雾化后的输运为独立分开的两个过程。