CN107065703A - 基于分形理论的正方形分形喷嘴及流动测量系统,换热测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分形理论的正方形分形喷嘴及流动测量系统,换热测量系统,所述基于分形理论的正方形分形喷嘴包括喷嘴口和分形框架结构,其特征在于,所述分形框架结构按正方形分形几何特征有序排列。所述流动测量系统、换热测量系统采用特定长度的蜂窝稳流段、和热线风速仪/热电偶采集器,能够较好的保证射流本身的稳定性和实验数据的精确性。本发明所形成的分形射流,喷射锥角更大,较好的增强了流体的湍流强度和对周围物质的卷吸能力。经实验证明,在流体所涉及的区域内,可以显著增加冲击靶面射流的混合,强化射流传热传质过程。
Description
技术领域
本发明涉及射流装置技术领域,分形几何领域,尤其涉及一种基于分形理论的正方形分形喷嘴及流动测量系统,换热测量系统。
背景技术
在我国能源消耗的主体行业中,如冶金、能源、化工、建材等行业使用能源的主要形式为工业锅炉燃烧。燃烧器是电站锅炉及工业锅炉的主要组成部分,它将燃料和燃烧所需空气送入炉膛,并组织一定的气流结构,使燃料能迅速稳定的着火。在增强射流燃烧器掺混性能方面,我国尚在萌芽阶段,若该方面技术获得一定成果,可有效改善燃烧器喷射装置的结构,并且在降低燃烧废气中的NOX具有极其重要的作用。
在传统燃烧器喷嘴射流研究中,圆形、非圆形射流(如椭圆、矩形、三角形等)、自激振荡射流等方式被广泛研究。然而只在传统范畴内改变喷嘴形状,其近场区卷吸量和混合性能的提升非常有限,近场区卷吸能力的增强并不一定使得远场区的混合性能也得到增强。近场区不同形式的增混方式,对于远场区的湍流混合性能的影响又是不同的,进而对于实际应用效果也是不一样的。
具有自相似原则和迭代生成原则的分形理论,跳出了一维的线、二维的面、三维的立体乃至四维时空的传统范畴,而更加趋近复杂系统的真实属性与状态的描述,更加符合客观事实的多样性与复杂性。在最近20年里,分形的应用渗透到了各个学科领域,并不断得到发展,如果能将分形理论和射流研究结合在一起,有效增加流体混合程度,对提高燃烧器效率和降低污染物排放具有重要作用。
发明内容
根据上述提出的技术问题,而提供一种基于分形理论的正方形分形喷嘴及流动测量系统,换热测量系统。该喷嘴内部结构按照分形特征排列,经过该喷嘴的射流涉及范围更广,其湍流度可在整体上得到有效增强,以克服上述技术问题。
本发明采用的技术手段如下:
一种基于分形理论的正方形分形喷嘴,其特征在于,包括喷嘴口和分形框架结构,其特征在于,所述分形框架结构按正方形分形几何特征有序排列。
所述分形框架结构的局部与整体具有自相似性,各阶正方形边长比及每阶边长与其宽度比均保持常数。
所述分形框架结构包括尺寸由大到小的1~n阶正方形,每阶正方形的数量是前一阶正方形数量的四倍,每阶正方形的边长是前一阶正方形边长的二分之一,每阶正方形的边的宽度是其边长的十分之一,每阶正方形中心与前一阶正方形顶点重合且两者对角线位于同一直线。
所述1~n阶正方形的朝向外侧的端面与所述喷嘴口的端面位于同一平面内,所述1~n阶正方形沿所述喷嘴口轴线方向延伸的厚度均相等。
一种基于分形理论的正方形分形喷嘴的流动测量系统,其特征在于,包括依次连接的由变频器控制的气泵、蜂窝状整流器、有机玻璃供气管路和如权利要求1所述的基于分形理论的正方形分形喷嘴,所述蜂窝状整流器与所述气泵之间的水平段设有涡街流量计;
所述流动测量系统还包括三维坐标仪、位于所述三维坐标仪上的热线探头、热线风速仪、数据采集卡和数据处理及控制器;
所述数据处理及控制器分别与所述变频器,所述数据采集卡和所述三维坐标仪电连接,所述变频器与所述气泵电连接,所述热线探头与所述热线风速仪电连接,所述热线风速仪与所述数据采集卡电连接。
一种基于分形理论的正方形分形喷嘴的换热测量系统,其特征在于,包括依次连接的由变频器控制的气泵、蜂窝状整流器,有机玻璃供气管路和如权利要求1所述的基于分形理论的正方形分形喷嘴,所述蜂窝状整流器与所述气泵之间的水平段设有涡街流量计;
所述换热测量系统还包括三维坐标仪,固定于所述三维坐标仪上的内置热电偶测温探头的换热板、安捷伦采集器、数据采集卡和数据处理及控制器;
所述数据处理及控制器分别与所述变频器,所述数据采集卡和所述三维坐标仪电连接,所述变频器与所述气泵电连接,所述内置热电偶测温探头的换热板与所述安捷伦采集器电连接,所述安捷伦采集器与所述数据采集卡电连接。
数据处理及控制器通过LabVIEW程序控制变频器,以控制气泵产生出口流量和风速可定的恒温气流。在距离气泵出口1200mm水平段安装涡街流量计,可以获得气体瞬时流量。气流再通过蜂窝状整流器和有机玻璃供气管路,经基于分形理论的正方形分形喷嘴喷出,蜂窝状整流器可以减少流体卷曲,进而降低气流湍流度,且可以减少湍流边界层对速度的影响,使流动状态更加稳定。热线探头(或内置测温探头)固定于三维坐标仪上,再通过数据采集卡将经过滤波和放大的模拟信号转换成数字信号传输至数据处理及控制器(计算机)中。实验所测流场范围为X/De=0~10。
本发明应用原理为:气体经由变频器控制的气泵驱动后,通过蜂窝状整流器和有机玻璃供气管路,进入喷嘴,气体的雷诺数由变频器控制并保持稳定,并经由喷嘴口和分形框架结构之间的间隙喷出,产生具有混合效果较好的流体。本发明的喷嘴根据分形理论设计,其结构具备自相似特征,各阶正方形边长比及每阶边长与其宽度比均保持常数。
所述流动测量系统、换热测量系统采用特定长度的蜂窝稳流段、和热线风速仪/热电偶采集器,能够较好的保证射流本身的稳定性和实验数据的精确性。本发明所形成的分形射流,喷射锥角更大,较好的增强了流体的湍流强度和对周围物质的卷吸能力。经实验证明,在流体所涉及的区域内,可以显著增加冲击靶面射流的混合,强化射流传热传质过程。
基于上述理由本发明可在射流装置和分形几何等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的具体实施方式中组成分形框架结构的基本单元的结构示意图。
图2是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴的结构示意图。
图3是图1的侧视图。
图4是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的速度衰减率对比曲线图。
图5是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的湍流度对比曲线图。
图6是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的频谱对比曲线图。
图7是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的概率密度函数对比曲线图(X/De=1)。
图8是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的概率密度函数对比曲线图(X/De=2)。
图9是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的概率密度函数对比曲线图(X/De=3)。
图10是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的概率密度函数对比曲线图(X/De=5)。
图11是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的概率密度函数对比曲线图(X/De=10)。
图12是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的湍流动能耗散率对比曲线图。
图13是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的湍流积分尺度对比曲线图。
图14是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的K(Kolmogorov)尺度对比曲线图。
图15是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的泰勒尺度对比曲线图。
图16是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的换热效果对比曲线图
图17是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴的流动测量系统。
图18是本发明的具体实施方式中基于分形理论的正方形分形喷嘴的换热测量系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-图3所示,一种基于分形理论的正方形分形喷嘴,包括喷嘴口1和分形框架结构2,所述分形框架结构2按正方形分形几何特征有序排列。
所述分形框架结构2的局部与整体具有自相似性,各阶正方形边长比及每阶边长与其宽度比均保持常数,Li/Li+1=2,Li/Lij=10,其中,Li为i阶正方形边长,Lij为i阶正方形的边的宽度。
所述分形框架结构2包括尺寸由大到小的1~3阶正方形;
本实施例中,包括一阶正方形2-1,二阶正方形2-2和三阶正方形2-3。
每阶正方形的数量是前一阶正方形的数量的四倍,每阶正方形的边长是前一阶正方形的边长的二分之一,每阶正方形的边的宽度是其边长的十分之一,每阶正方形中心与前一阶正方形顶点重合且两者对角线位于同一直线。
所述1~3阶正方形的朝向外侧的端面2-4与所述喷嘴口1的端面1-1位于同一平面内,所述1~3阶正方形沿所述喷嘴口1轴线方向延伸的厚度均相等,为3mm。
下面通过对比实验来说明基于分形理论的正方形分形喷嘴的特点,实验均在雷诺数Re=18000下进行。
图4中斜率代表中心线速度衰减率,在图中1.8<x/De<10范围内,正方形分形网格射流中心线速度明显比普通网格射流衰减得更快,其差值甚至逐渐增加,说明正方形分形网格射流与周围工质的掺混作用更加强烈。
图5中随着X/De(轴向距离与喷嘴等效直径之比)的增大,射流受喷嘴更大区域的几何结构影响,分形的几何结构对射流的影响逐渐增强,可以看出在1.2<x/De<10范围内分形射流的湍流度均强于普通射流。这说明在一定范围内,分形网格射流与周围流体发生的卷吸和掺混作用明显强于普通射流。
对于射流的频谱分析,主要关注射流的低频和高频。低频能量就是射流的大脉动能量,反应到分形射流上就是射流的大尺度运动所占用的能量。高频能量就是射流的小脉动能量,反映到射流上就是分子之间微小尺度运动所占的能量。从图6中可以看出分形射流的高频能量明显高于普通网格射流,说明分形喷嘴的结构使射流的大尺度破碎成小尺度的的特征更加明显,射流分子层面上的小尺度能量则增加。
图7-11为基于分形理论的正方形分形喷嘴射流与同阻塞率的普通网格喷嘴射流之间的概率密度函数对比曲线图。从图中可以看出,雷诺数Re=18000时,在x/De=1和x/De=10位置处,两种射流的p(u)变化相似;但是在x/De=2、x/De=3、x/De=5位置处,两种射流的p(u)偏差较大。这是由于大尺度涡结构在x/De=1之后破裂成小尺度涡结构从而引起强烈的湍流脉动造成的,而从图像中可以看出在这些位置处分形射流的图像更宽也就是说明其脉动程度更高,局部剪切能力更强。随着x/De的进一步增加,射流的不断发展,喷嘴结构对较远处位置的影响逐渐减小,两种喷嘴中心线方向的p(u)重新趋于重合。但又因为射流持续卷吸环境中的静止流体,概率密度函数不能变为标准高斯分布。
图12-15分别为分形和普通网格射流中心线上、湍流动能耗散率、湍流积分尺度、Kolmogorov尺度和泰勒(Taylor)尺度沿中心线的变化规律。湍流积分尺度,Taylor尺度和Kolmogorov尺度用来分别表示湍流结构的大尺度,小尺度和最小尺度的特征,湍流动能耗散率表示流体的耗散程度。综合分析各图,可以发现分形射流流场中的涡结构在十分宽泛的尺度内进行着与周围流体的卷吸运动且自身的耗散更为明显,涡结构在数量上更多。在2<x/De<6范围内,分形射流的大尺度涡结构长度尺度较小、数量较多,同时在1<x/De<10范围内小尺度涡结构以及更小尺度涡结构长度尺度更小,数量更多。因此在1<x/De<10范围内分形射流的增混作用明显,并且在最优区间2<x/De<6内其能量传递转化最快,增混效果最优。
从图16中可以看出,分形射流的换热效果强于普通网格射流,说明分形结构对射流的影响更大,所形成的射流与周围工质交换能量的特征更加强烈。
实施例2
一种基于分形理论的正方形分形喷嘴的流动测量系统,包括依次连接的由变频器8控制的气泵3、蜂窝状整流器4、有机玻璃供气管路5和如实施例1所述的基于分形理论的正方形分形喷嘴,所述蜂窝状整流器4与所述气泵3之间的水平段设有涡街流量计5-1;
所述流动测量系统还包括三维坐标仪6、位于所述三维坐标仪6上的热线探头6-1、热线风速仪7、数据采集卡7-1和数据处理及控制器9;
所述数据处理及控制器9分别与所述变频器8,所述数据采集卡7-1和所述三维坐标仪6电连接,所述变频器8与所述气泵3电连接,所述热线探头6-1与所述热线风速仪7电连接,所述热线风速仪7与所述数据采集卡7-1电连接。
如图17所示,气泵3提供源射流工质,其电压通过雷诺数与电压的关系换算得出,射流工质在通过蜂窝状整流后再经过有机玻璃供气管路5后,从基于分形理论的正方形分形喷嘴流出。并利用三维坐标仪6和热线风速仪7测量瞬时流场数据。
实施例3
一种基于分形理论的正方形分形喷嘴的换热测量系统,其特征在于,包括依次连接的由变频器15控制的气泵10、蜂窝状整流器11,有机玻璃供气管路12和如权利要求1所述的基于分形理论的正方形分形喷嘴,所述蜂窝状整流器11与所述气泵10之间的水平段设有涡街流量计12-1;
所述换热测量系统还包括三维坐标仪13,固定于所述三维坐标仪13上的内置热电偶测温探头的换热板13-1、安捷伦采集器14、数据采集卡14-1和数据处理及控制器16;
所述数据处理及控制器16分别与所述变频器15,所述数据采集卡14-1和所述三维坐标仪13电连接,所述变频器15与所述气泵10电连接,所述内置热电偶测温探头的换热板13-1与所述安捷伦采集器14电连接,所述安捷伦采集器14与所述数据采集卡14-1电连接。
如图18所示,气泵10提供源射流工质,其电压通过雷诺数与电压的关系换算得出,射流工质在通过蜂窝状整流后再经过有机玻璃供气管路12后,从基于分形理论的正方形分形喷嘴流出,与所述内置热电偶测温探头的换热板13-1进行能量交换。并利用三维坐标仪6和换热板的内置热电偶测温探头测量实验数据。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种基于分形理论的正方形分形喷嘴,其特征在于,包括喷嘴口和分形框架结构,其特征在于,所述分形框架结构按正方形分形几何特征有序排列。
2.根据权利要求1所述的一种基于分形理论的正方形分形喷嘴,其特征在于:所述分形框架结构的局部与整体具有自相似性,各阶正方形边长比及每阶边长与其宽度比均保持常数。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于分形理论的正方形分形喷嘴,其特征在于:所述分形框架结构包括尺寸由大到小的1~n阶正方形,每阶正方形的数量是前一阶正方形数量的四倍,每阶正方形的边长是前一阶正方形边长的二分之一,每阶正方形的边的宽度是其边长的十分之一,每阶正方形中心与前一阶正方形顶点重合且两者对角线位于同一直线。
4.根据权利要求3所述的一种基于分形理论的正方形分形喷嘴,其特征在于:所述1~n阶正方形的朝向外侧的端面与所述喷嘴口的端面位于同一平面内,所述1~n阶正方形沿所述喷嘴口轴线方向延伸的厚度均相等。
5.一种基于分形理论的正方形分形喷嘴的流动测量系统,其特征在于,包括依次连接的由变频器控制的气泵、蜂窝状整流器、有机玻璃供气管路和如权利要求1所述的基于分形理论的正方形分形喷嘴,所述蜂窝状整流器与所述气泵之间的水平段设有涡街流量计;
所述流动测量系统还包括三维坐标仪、位于所述三维坐标仪上的热线探头、热线风速仪、数据采集卡和数据处理及控制器;
所述数据处理及控制器分别与所述变频器,所述数据采集卡和所述三维坐标仪电连接,所述变频器与所述气泵电连接,所述热线探头与所述热线风速仪电连接,所述热线风速仪与所述数据采集卡电连接。
6.一种基于分形理论的正方形分形喷嘴的换热测量系统,其特征在于,包括依次连接的由变频器控制的气泵、蜂窝状整流器,有机玻璃供气管路和如权利要求1所述的基于分形理论的正方形分形喷嘴,所述蜂窝状整流器与所述气泵之间的水平段设有涡街流量计;
所述换热测量系统还包括三维坐标仪,固定于所述三维坐标仪上的内置热电偶测温探头的换热板、安捷伦采集器、数据采集卡和数据处理及控制器;
所述数据处理及控制器分别与所述变频器,所述数据采集卡和所述三维坐标仪电连接,所述变频器与所述气泵电连接,所述内置热电偶测温探头的换热板与所述安捷伦采集器电连接,所述安捷伦采集器与所述数据采集卡电连接。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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