CN107081241A - 非圆形合成射流的产生设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种非圆形合成射流的产生设备。该产生设备包括：具有第一腔体的发射本体、驱动装置、与所述驱动装置连接的振动装置和具有第二腔体的发射部；所述发射本体的第一端与所述发射部的第二端可拆卸连接，所述发射部的第一端设置有非圆形孔口，所述第一腔体与所述第二腔体连通；所述振动装置设置在所述第一腔体中，并在所述驱动装置的作用下压缩所述第一腔体中的流体，以使所述流体在所述非圆形孔口处产生非圆形合成射流。本实施例的非圆形合成射流的产生设备可以产生非圆形合成射流，并可以根据实际需要产生不同形状和特性的非圆形合成射流，以满足不同的研究需要。

Description

非圆形合成射流的产生设备

技术领域

本发明实施例涉及流体机械技术，尤其涉及一种非圆形合成射流的产生设备。

背景技术

射流(指流体从管口、孔口、狭缝射出，并同周围流体掺混的一股流动的流体)在人们的日常生活和工业生产中随处可见，如常见于热传导、抑制噪声，燃料注射、污染物的扩散、升力增加和推力矢量控制等领域。研究发现，非圆形射流具有轴系转换现象，可以增强流体的质量掺混和动量交换。

合成射流技术是用于控制产生上述射流的一种高效的主动流动控制技术，相比于传统的连续射流，合成射流在流动近场具有更强的输运和掺混能力。基于上述非圆形射流和合成射流的特性，研究人员发现非圆形合成射流可以有效提高射流控制的效率。但是现有技术，还没有有效的生成非圆形合成射流的设备，使得非圆形合成射流的研究受到制约。

发明内容

本发明实施例提供一种非圆形合成射流的产生设备，以产生非圆形合成射流。

本发明实施例提供一种非圆形合成射流的产生设备，包括：具有第一腔体的发射本体、驱动装置、与所述驱动装置连接的振动装置和具有第二腔体的发射部；

所述发射本体的第一端与所述发射部的第二端可拆卸连接，所述发射部的第一端设置有非圆形孔口，所述第一腔体与所述第二腔体连通；

所述振动装置设置在所述第一腔体中，并在所述驱动装置的作用下压缩所述第一腔体中的流体，以使所述流体在所述非圆形孔口处产生非圆形合成射流。

在本发明的一种可能的实现方式中，所述发射部的非圆形孔口为细长形状孔口、正多边形状孔口或者带裂片形状孔口。

在本发明的另一种可能的实现方式中，所述产生设备还包括至少一个扰流片，所述扰流片与所述发射部的第一端连接。

在本发明的另一种可能的实现方式中，所述扰流片为三角形的扰流片，所述三角形的扰流片的底边与所述发射部的第一端的侧壁连接，所述三角形的扰流片与所述发射部的轴线构成第一夹角。

在本发明的另一种可能的实现方式中，所述发射部的第一端的内壁上沿着轴向设置有至少一个沟槽。

在本发明的另一种可能的实现方式中，所述振动装置为弹性薄膜或者活塞。

在本发明的另一种可能的实现方式中，所述产生设备还包括控制装置，所述控制装置与所述驱动装置连接；

所述控制装置，用于向所述驱动装置输出控制指令；

所述驱动装置，用于根据所述控制指令驱动所述振动装置运行，所述控制指令包括激励信号。

在本发明的另一种可能的实现方式中，所述控制指令还包括吹程时长和吸程时长。

在本发明的另一种可能的实现方式中，所述发射本体和所述发射部均为管柱结构。

本发明实施例提供的非圆形合成射流的产生设备，通过设置具有第一腔体的发射本体、驱动装置、与所述驱动装置连接的振动装置和具有第二腔体的发射部；所述发射本体的第一端与所述发射部的第二端可拆卸连接，所述发射部的第一端设置有非圆形孔口，所述第一腔体与所述第二腔体连通；所述振动装置设置在所述第一腔体中，并在所述驱动装置的作用下压缩所述第一腔体中的流体，以使所述流体在所述非圆形孔口处产生非圆形合成射流。本实施例的产生设备可以根据实际需要改变发射部，以产生不同形状和特性的非圆形合成射流，以满足不同的研究需要。

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作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的非圆形合成射流的产生设备实施例一的结构示意图；

图1a为细长形状孔口的非圆形孔口示意图；

图1b为正多边形状孔口的非圆形孔口示意图；

图1c为带裂片形状孔口的非圆形孔口示意图；

图2为本发明提供的非圆形合成射流的产生设备实施例二的结构示意图；

图2a为在椭圆形孔口设置三角形扰流片的示意图；

图2b为在长方形孔口设置三角形扰流片的示意图；

图3为本发明提供的非圆形合成射流的产生设备实施例三的结构示意图；

图3a为正弦波激励信号示意图；

图3b为三角形波激励信号示意图；

图3c为矩形波激励信号示意图；

图4为非圆形孔口为长宽比为3的矩形的非圆形合成射流的产生设备产生的非圆形合成射流涡环示意图；

图5为非圆形孔口为长宽比为5的矩形的非圆形合成射流的产生设备产生的非圆形合成射流涡环示意图；

图6为非圆形孔口为正三角形的非圆形合成射流的产生设备产生的非圆形合成射流涡环示意图；

图7为图5所示的非圆形合成射流的流动示意图。

附体标记说明：

10：发射本体；

101：第一腔体；

102：发射本体的第一端；

103：发射本体的第二端；

20：驱动装置；

30：振动装置；

40：发射部；

401：第二腔体；

402：发射部的第二端；

403：发射部的第一端；

404：非圆形孔口；

50：扰流片；

60：控制装置。

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作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。

非圆形合成射流相比于传统的圆形射流，非圆形涡环的轴系转换使得射流中与大尺度结构相关的卷吸特征增强，同时流向涡与涡环强烈的相互作用，影响涡环的变形，提高射流中与小尺度结构相关的掺混能力，对流场控制效率的改善更全面。

非圆形合成射流具有更广泛的应用领域，包括但不限于控制流动分离，抑制湍流，提高燃烧效率，增强散热，推力矢量控制等。有效改善各种机器的工作效率，降低工作噪音，提高能源的利用率，降低污染物的排放等。

由上述可知，非圆形合成射流技术具有非常广泛的应用前景，本实施例的提供的非圆形合成射流的产生设备可以根据实际需要产生不同特性的非圆形合成射流，为非圆形合成射流的研究提供保障。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明提供的非圆形合成射流的产生设备实施例一的结构示意图。本实施例的产生设备可以包括：具有第一腔体101的发射本体10、驱动装置20、与所述驱动装置20连接的振动装置30和具有第二腔体401的发射部40；所述发射本体10的第一端102与所述发射部40的第二端402连接，所述发射部40的第一端403设置有非圆形孔口404，所述第一腔体101与所述第二腔体401连通；所述振动装置30设置在所述第一腔体101中，并在所述驱动装置20的作用下压缩所述第一腔体101中的流体，以使所述流体在所述非圆形孔口404处产生非圆形合成射流。

具体的如图1所示，本实施例的产生设备可以包括发射本体10、驱动装置20、振动装置30和发射部40，其中，发射本体10具有中空的第一腔体101，发射部40具有中空的第二腔体401，发射本体10的第一端102与发射部40的第二端402连接，使得第一腔体101与第二腔体401连通，发射部40的第一端403设置有非圆形孔口404。振动装置30与驱动装置20连接，振动装置30设置在第一腔体101中，驱动装置20设置在靠近发射本体10的第二端103附近。

在实际使用时，驱动装置20带动振动装置30发生振动，第一腔体101中的流体在振动装置30的压缩下，在非圆形孔口404的边缘处，剪切层发生流动分离，由于K-H不稳定性(Kelvin–Helmholtz instability)和Biot-Savart诱导机制，孔口周向不同位置的流体会以不同的诱导速度卷起，形成非圆形涡环。非圆形涡环离开非圆形孔口404，并向下游运动，同时非圆形涡环会发生轴系转换现象，从而增强射流与大尺度结构相关的卷吸特征，增加流场的质量掺混和动量交换。

进一步的，本实施例还可以对非圆形孔口404进行处理(例如外凸或者内凹处理)，使其同时具有涡流发生器的效果，可以产生流向涡结构，在主涡环运动的同时，流向涡与主涡环存在强烈的相互影响，增强了射流与小尺度结构相关的掺混能力，进一步提高了流动控制效率。

上述发射部40的非圆形孔口404的形状可以是如图1a所示的细长形状孔口，例如椭圆形、矩形等，还可以是如图1b所示的正多边形状孔口，例如正方形、正三角形、正六边形等，还可以如图1c所示的带裂片形状孔口，例如十字形、六裂片矩形、六裂片花形等，还可以其他非圆形形状。

本实施例中，发射本体10与发射部40可拆卸连接，不同的发射部40具有如图1a-1c所示的不同形状的非圆形孔口404。

本实施例提供的非圆形合成射流的产生设备，可以有效改变射流流场的输运和掺混特征，改善流动控制效果，对于相同的合成射流初始条件，本实施例的技术方案仅通过更换发射部40来改变非圆形孔口404的形状，进而提高了非圆形合成射流的产生效率，节省成本。

本实施例的发射本体10的第一端102与发射部40的第二端402之间可以通过螺纹进行连接，非圆形孔口404的边缘(即图1中虚线框所示部分)可以进行倒角，以降低应力集中。

本实施例中，第一腔体101的尺寸、第二腔体401的尺寸以及非圆形孔口404的形状和尺寸具体根据实际需要进行设定，本实施例对此不做限制。在一种可能的实现方式中，第二腔体401的长度为40～50mm，第二腔体401的厚度为4～5mm，非圆形孔口404的面积为发射部40的第一端403面积的1/5～1/3。

上述发射本体10和发射部40的形状可以是管体、长方体、圆锥体或者棱柱体等，本实施例对发射本体10和发射部40的具体形状不做限制，只要保证发射本体10中设置有第一腔体101，振动装置30可以设置在其中，并且可以生成涡流即可。发射部40中设置有第二腔体401，使得第一腔体101中的涡流可以通过第二腔体401和非圆形孔口404生成非圆形合成射流即可。

在本实施例中一种可能的实现方式中，发射本体10和发射部40均为管体，该管体结构的发射本体10和发射部40结构简单，并且连接简单方便。

本发明实施例提供的非圆形合成射流的产生设备，通过设置具有第一腔体的发射本体、驱动装置、与所述驱动装置连接的振动装置和具有第二腔体的发射部；所述发射本体的第一端与所述发射部的第二端可拆卸连接，所述发射部的第一端设置有非圆形孔口，所述第一腔体与所述第二腔体连通；所述振动装置设置在所述第一腔体中，并在所述驱动装置的作用下压缩所述第一腔体中的流体，以使所述流体在所述非圆形孔口处产生非圆形合成射流。本实施例的产生设备可以根据实际需要改变发射部，以产生不同形状和特性的非圆形合成射流，以满足不同的研究需要。

在本发明的一种可能的实现方式中，如图1所示，本实施例的振动装置30可以是弹性薄膜或者活塞。

当振动装置30为弹性薄膜时，则弹性薄膜固定设置在第一腔体101中，驱动装置20驱动该弹性薄膜振动，例如驱动装置20给弹性薄膜一弹力，使得弹性薄膜振动，以压缩第一腔体101中的流体，以使第一腔体101中的流体通过非圆形孔口404生成非圆形合成射流。

当振动装置30为活塞时，则该活塞在驱动装置20的作用下可以沿着第一腔体101的内壁做往复运行，以压缩第一腔体101中的流体，以使第一腔体101中的流体通过非圆形孔口404生成非圆形合成射流。

图2为本发明提供的非圆形合成射流的产生设备实施例二的结构示意图。在上述实施例的基础上，为了进一步提高射流与周围流体在小尺度结构上的掺混作用，本实施例的产生设备还包括至少一个扰流片50，所述扰流片50与所述发射部40的第一端403连接。

如图2所示，本实施例在发射部40的第一端403处设置有至少一个扰流片50，具体是在非圆形孔口404处设置扰流片50。扰流片50的形状可以是三角形、长方形或则其他不规则的形状等，本实施例对扰流片50的具体形状不做限制。

在本实施例的一种可能的实现方式中，扰流片50可以是三角形的扰流片50，该三角形的扰流片50的底边与发射部40的第一端403的侧壁连接，并与发射部40的轴线构成第一夹角，该第一夹角可以是45°～60°。

如图2a所示，当非圆形孔口404的形状为椭圆形时，可以在椭圆形的孔口设置多个三角形的扰流片50，其中扰流片50的数量和分布情况根据实际情况设定，例如扰流片50可以沿着椭圆形孔口等间距排列。其中，每个扰流片50阻断的面积为孔口面积的1-2％。如图2b所示，对于细长孔口(图2b示出了长宽比为3的长方形孔口)，扰流片50通常设置在孔口的短边处，每个扰流片50阻断的面积为孔口面积的5-6％。

本实施例的产生设备，通过在非圆形孔口404处设置扰流片50，以增加非圆形孔口404的周向激励作用，产生流向涡结构，这些流向涡与涡环之间存在强烈的相互影响，进一步增强射流与周围流体在小尺度结构上的掺混作用。

可选的，本实施例还可以在发射部40的第一端403的内壁上沿着轴向设置有至少一个沟槽(图中未示出)，这些沟槽与上述扰流片50的作用相同，均用于产生流向涡结构，以增加流向涡与涡环之间的相互作用，进而提高射流与周围流体在小尺度结构上的掺混作用。

本发明实施例提供的非圆形合成射流的产生设备，通过在非圆形孔口处设置扰流片、或者在非圆形孔口处设置沟槽，以增加非圆形孔口的周向激励作用，进一步增强射流与周围流体在小尺度结构上的掺混作用。

图3为本发明提供的非圆形合成射流的产生设备实施例三的结构示意图。在上述实施例的基础上，如图3所示，本实施例的产生设备还可以包括控制装置60，所述控制装置60与所述驱动装置20连接；所述控制装置60，用于向所述驱动装置20输出控制指令；所述驱动装置20，用于根据所述控制指令驱动所述振动装置30运行，所述控制指令包括激励信号。

具体的，控制装置60根据实际需要，向驱动装置20输出控制指令，在本实施例的一种可能的实现方式中，驱动装置20用于接收控制指令后，并根据所述控制指令驱动所述振动装置30运行，该所述控制指令可以包括激励信号。驱动装置20根据激励信号来确定施加给振动装置30的作用力，以带动振动装置30产生不同流速的涡环，进而改变非圆形合成射流的速度型，从而改变射流流场特性。

本实施例的控制装置60可以是具有控制功能的电脑、上位机或者其他的设备。

本实施例中，控制装置60输出的激励信号可以是如图3a所示的正弦信号、如图3b所示的矩形信号或者如图3c所示的三角形信号，可选的还可以是其他类型的激励信号，本实施例对控制装置60输出的激励信息的类型和参数不做限制，具体根据实际需要确定。

进一步的，上述控制装置60输出的控制指令中还可以包括吹程时长和吸程时长，驱动装置20根据吹程时长和吸程时长来改变非圆形合成射流的速度型。

例如，如图3b所示的正弦信号为例，在一个周期T中，T1为射流的吹程时长，T2为射流的吸程时长。当激励信号的类型确定之后，本实施例还可以通过改变激励信号的振幅A、周期T、射流的吹程时长T1和射流的吸程时长T2的比值来改变非圆形合成射流的速度型。

为了进一步阐释本实施例的非圆形合成射流的产生设备，下面进行示例性说明：

图4为非圆形孔口为长宽比为3的矩形的非圆形合成射流的产生设备产生的非圆形合成射流涡环示意图，图5为非圆形孔口为长宽比为5的矩形的非圆形合成射流的产生设备产生的非圆形合成射流涡环示意图。如图4和图5所示，在涡环形成并离开非圆形孔口404后，由于涡环上不同部分自诱导速度的差异，矩形涡环短边对应部分的运动速度要快于长边对应的运动速度。这样，使得长边部分落在后面，并随着涡环向下游运动逐渐远离射流中心线。最后涡环横截面相对于孔口形状，轴线发生了90°的旋转，该过程对应于涡环的第一次轴系转换。随着长宽比的增加，矩形涡环在形成时，涡环短边对应的部分具有更大的诱导速度，因而涡环变形也更迅速，更显著，同时在发生第一次轴系转换后，新的长边会继续向射流中心线靠近，甚至会相互接触，最后分叉成如图5所示的两个小的涡环结构。

对于正多边形状射流孔口，会产生不同旋转角度和不同次数的轴系转换。

图6为非圆形孔口为正三角形的非圆形合成射流的产生设备产生的非圆形合成射流涡环示意图。如图6所示，由于三角形涡环边和顶点对应部分的诱导速度不同，涡环横截面沿着流向相对于孔口形状，轴线不断进行60°的旋转，且图中显示了两次轴系转换过程。可见非圆形合成射流涡环存在着典型的轴系转换现象，而该现象是造成非圆形射流卷吸能力增强的重要原因。

图7为图5所示的非圆形合成射流的流动示意图，如图5和图7所示，由于矩形涡环的三维变形和轴系转换现象，除涡环运动轨迹的范围外，更多的射流与周围流体之间相互影响发生，导致射流掺混明显增强，且随着涡环向下游运动，外侧流场受到扰动的范围逐渐增大。从图7所示可知，射流扰动区域和最外侧未受扰动的流场之间存在明显的边界，并呈逐渐扩散的形态，进一步证明本实施例的非圆形合成射流的产生设备可以稳定产生具有强的扰动和掺混特征的非圆形合成射流。

本发明实施例提供的非圆形合成射流的产生设备，通过在产生设备中设置控制装置，控制装置通过改变输出给驱动装置的控制命令来改变驱动装置输出给振动装置的振动力，以带动振动装置产生不同流速的涡环，进而改变非圆形合成射流的速度型，从而改变射流流场特性。

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 (9)

1.一种非圆形合成射流的产生设备，其特征在于，包括：具有第一腔体的发射本体、驱动装置、与所述驱动装置连接的振动装置和具有第二腔体的发射部；

所述发射本体的第一端与所述发射部的第二端可拆卸连接，所述发射部的第一端设置有非圆形孔口，所述第一腔体与所述第二腔体连通；

所述振动装置设置在所述第一腔体中，并在所述驱动装置的作用下压缩所述第一腔体中的流体，以使所述流体在所述非圆形孔口处产生非圆形合成射流。

2.根据权利要求1所述的产生设备，其特征在于，所述发射部的非圆形孔口为细长形状孔口、正多边形状孔口或者带裂片形状孔口。

3.根据权利要求2所述的产生设备，其特征在于，所述产生设备还包括至少一个扰流片，所述扰流片与所述发射部的第一端连接。

4.根据权利要求3所述的产生设备，其特征在于，所述扰流片为三角形的扰流片，所述三角形的扰流片的底边与所述发射部的第一端的侧壁连接，所述三角形的扰流片与所述发射部的轴线构成第一夹角。

5.根据权利要求1所述的产生设备，其特征在于，所述发射部的第一端的内壁上沿着轴向设置有至少一个沟槽。

6.根据权利要求1-5任一项所述的产生设备，其特征在于，所述振动装置为弹性薄膜或者活塞。

7.根据权利要求1所述的产生设备，其特征在于，所述产生设备还包括控制装置，所述控制装置与所述驱动装置连接；

所述控制装置，用于向所述驱动装置输出控制指令；

所述驱动装置，用于根据所述控制指令驱动所述振动装置运行，所述控制指令包括激励信号。

8.根据权利要求7所述的产生设备，其特征在于，所述控制指令还包括吹程时长和吸程时长。

9.根据权利要求8所述的产生设备，其特征在于，所述发射本体和所述发射部均为管柱结构。