CN107112053A - 用于在旋转流体中产生涡流腔的装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于产生涡流腔的系统的示例。该系统包括容器和流体循环系统，其中，流体通过一个或更多个入口端口喷射到该容器中，该流体循环系统构造成使流体循环通过容器以使得流体通过出口端口而从容器移除并且通过所述一个或更多个入口端口而返回到容器中。在容器的一个壁处安装有第一旋转器，而在容器的相反壁处安装有第二旋转器使得该第二旋转器与第一旋转器相距一定距离并且该第二旋转器面向该第一旋转器。当流体循环系统开始使流体在容器内循环时，形成在第一旋转器与第二旋转器之间延伸的涡流腔，使得涡流腔的一个端部坐置在第一旋转器上而涡流腔的相反的端部坐置在第二旋转器上。

Description

用于在旋转流体中产生涡流腔的装置和方法

技术领域

本公开总体上涉及用于在旋转流体中产生涡流腔的装置和方法，例如用于在等离子体压缩系统的旋转流体中产生涡流腔的装置和方法。

背景技术

除非本文中另外指出，否则本部分中所描述的内容不是本申请中的权利要求的现有技术，并且不应因包括在本部分中而被认为是现有技术。

位于大量液体介质内的平滑的抽真空腔是加拿大本拿比的General Fusion公司正在研发的等离子体压缩系统的基本部分。在填充有熔融金属例如熔融铅锂的等离子体压缩容器的中心处产生抽真空腔或者也被称为涡流腔。使用泵送系统在压缩容器中提供流体的旋转流动并且产生可以是气体腔或真空腔的腔。等离子体被喷射到这种腔中并且随后通过会聚的压力波而被压缩，该会聚的压缩波使腔坍缩以压缩该腔中的等离子体。

已有的实验使用水泵送系统和/或液态铅泵送系统来产生涡流腔。这些系统中的一些系统中的泵送系统基于浴缸涡流的概念，其中，由于将液体切向地泵送到压缩容器中并且将液体从位于这种容器的底部上的孔排出而形成腔。即使这些系统在形成涡流腔方面获得成功，仍确定存在问题，诸如例如腔延伸经过整个容器并且进入到排出管中的情形，使得所获得的涡流腔缺乏期望平滑度的液/气界面。界面缺乏平滑度、即高频表面波纹的持续存在归因于在界面附近存在强大的竖向剪切层以及归因于旋转界面(涡流的顶部和底部)与容器的静止壁的相互作用。涡流腔延伸经过容器的整个高度，从而在容器的顶部处接触静止壁并且在容器的底部处进入排出孔。当涡流腔延伸到排出孔中时，涡流腔会阻塞排出区域的很大的一部分，这会导致涡流界面附近的竖向速度(和剪切)的明显增大，这又会引起涡流的不稳定(例如旋进)及其较差的表面质量。除此以外，系统中的流体的量不能被固定，即流体喷射和流体排出被断开联系(开放系统)，从而导致难以控制和/或预测所产生的涡流腔的精确参数。

发明内容

一方面，提供了一种用于在旋转的流体中产生涡流腔的装置。该装置包括容器，该容器包括第一旋转器和第二旋转器，其中，第一旋转器具有以可旋转的方式布置在容器内的可旋转相向表面，第二旋转器具有布置在容器内的可旋转相向表面使得该第二旋转器的可旋转相向表面与第一旋转器的可旋转相向表面同轴并且面向第一旋转器的可旋转相向表面。该装置还包括至少一个流体喷射入口，所述至少一个流体喷射入口与容器的内部流体连通并且定位在第一旋转器与第二旋转器之间使得旋转流体能够以使旋转流体在第一旋转器与第二旋转器之间旋转流动的方式喷射到容器中。该装置还包括流体泵，该流体泵联接至所述至少一个流体喷射入口以将旋转流体喷射到容器中，从而使得流体在容器中以足够的角动量旋转以形成在第一旋转器与第二旋转器之间延伸的涡流腔。该涡流腔的半径小于第一旋转器的半径和第二旋转器的半径使得该涡流腔的一个端部坐置在第一旋转器的可旋转相向表面上并且该涡流腔的相反端部坐置在第二旋转器的可旋转相向表面上。该装置还包括至少一个旋转流体排出口，所述至少一个旋转流体排出口与容器的内部流体连通，并且所述至少一个旋转流体排出口与第一旋转器和第二旋转器间隔开足够的距离以允许流体从容器排出。

一方面，所述至少一个旋转流体排出口与第一旋转器和第二旋转器同轴。

该装置还可以包括管道网，该管道网流体地联接至流体泵以及所述至少一个喷射入口和所述至少一个排出口使得从容器经由所述至少一个排出口排放的旋转流体经由所述至少一个喷射入口再循环回到容器中。

一方面，第一旋转器和第二旋转器中的至少一者还可以包括由具有足以支承涡流腔的宽度的实心边缘包围的中心开口。第一旋转器和第二旋转器中的所述至少一者可以是具有中心开口和侧壁的中空管，侧壁限定用以支承涡流腔的实心边缘。中空管还可以包括缝、可动盖和驱动件，其中，该缝沿着侧壁的内侧面的周面延伸，该驱动件构造成将可动盖在封闭中心开口的第一位置与不封闭中心开口的第二位置之间驱动。

另一方面，该装置还可以包括至少一个马达和控制器，其中，所述至少一个马达用以使第一旋转器和第二旋转器旋转，该控制器与所述至少一个马达电通信并且被编程为分别调节第一旋转器和第二旋转器的转速。

一方面，第一旋转器和第二旋转器还可以包括多个翅片，所述多个翅片连接至第一旋转器的底表面和第二旋转器的底表面并且延伸离开第一旋转器的底表面和第二旋转器的底表面使得所述多个翅片大致垂直于旋转流体的旋转方向定向。

另一方面，提供了一种采用涡流发生器的等离子体压缩系统。该等离子体压缩系统包括用于将旋转流体容纳在其中的等离子体压缩室、至少一个旋转流体喷射入口和与所述至少一个旋转流体喷射入口间隔开的至少一个旋转流体排出口。外壁限定压缩室的内部空间。该系统还包括至少一个等离子体发生器，所述至少一个等离子体发生器构造成产生等离子体并且将等离子体喷射到室的内部空间中。等离子发生器具有与等离子体压缩室的内部空间流体连通的排放出口使得所产生的等离子体可以排放到室中。具有围绕室布置的多个活塞的压力波发生器设置成使得活塞操作成撞击室的外壁并且产生会聚到被容纳在室的内部空间中的旋转流体中的会聚的压力波。该系统还包括用以在室中形成涡流腔的涡流发生器。涡流发生器包括第一旋转器和第二旋转器，其中，第一旋转器具有以可旋转的方式布置在内的可旋转相向表面，第二旋转器具有以可旋转的方式布置在室内的可旋转相向表面。所述至少一个流体喷射入口位于第一旋转器与第二旋转器之间并且与内部空间流体连通使得旋转流体能够以使该旋转流体在第一旋转器与第二旋转器之间旋转流动的方式喷射到等离子体压缩室中。所述至少一个旋转流体排出口也与内部空间流体连通并且与第一旋转器和第二旋转器间隔开足够的距离以允许旋转流体从等离子体压缩室排出。所述至少一个流体喷射入口联接有流体泵并且该流体泵操作成将旋转流体喷射到等室中以使得旋转流体以足够的角动量旋转，从而形成在第一旋转器与第二旋转器之间延伸的涡流腔，使得涡流腔的一个端部坐置在第一旋转器的可旋转相向表面上并且涡流腔的相反端部坐置在第二旋转器的可旋转相向表面上。第一旋转器和第二旋转器中的至少一者包括由具有足以支承涡流腔的宽度的实心边缘包围的中心开口。中心开口与等离子体发生器的排放出口对准以使得由等离子体发生器排放的等离子体进入涡流腔。

又一方面，提供了一种用于在等离子体压缩系统中产生涡流腔的方法。该方法包括在等离子体压缩室内提供第一旋转器和第二旋转器使得第二旋转器与第一旋转器间隔开。第一旋转器和第二旋转器各自具有可旋转相向表面，该可旋转相向表面布置在室内使得第一可旋转相向表面和第二可旋转相向表面彼此同轴并且面向彼此。该方法还包括使旋转流体在等离子体压缩室内以足够的角动量循环以形成在第一旋转器与第二旋转器之间延伸的涡流腔以及使第一旋转器的可旋转相向表面和第二旋转器的可旋转相向表面以一定速度旋转从而使得涡流腔的第一端部坐置在第一旋转器的可旋转相向表面上并且涡流腔的相反的第二端部坐置在第二旋转器的可旋转相向表面上。

除了上述方面和实施方式之外，通过参照附图和研究以下详细描述，其他方面和实施方式将变得明显。

附图说明

在所有附图中，附图标记可能被重复使用以表示所参引的元件之间的对应关系。提供附图以对本文中所描述的示例性实施方式进行说明，并且这些附图不意在限制本公开的范围。附图中的元件的尺寸和相对位置不一定按比例绘制。例如，角度和各个元件的形状没有按比例绘制，并且这些元件中的一些元件被任意地放大和定位以提高附图的易读性。

图1A至图1D是模拟的示意性截面图，其示出了气液界面处的流体动力学不稳定性在涡流腔由于气液界面处的两个幅度的初始扰动而坍缩的期间的演变；

图2A是根据一个实施方式的用于产生涡流腔的装置的侧视截面图；

图2B是图2A中所示的装置的俯视截面图；

图3A是图2A中所示的装置的计算机生成的数值模型的示意性立体图；

图3B是根据又一实施方式的用于产生涡流腔的装置的计算机生成的数值模型的示意性立体图；

图4A是图3A中所示的装置中的涡流形成的示意性立体图；

图4B是图3B中所示的装置中的涡流形成的示意性立体图；

图5A是在该装置的第一旋转器和第二旋转器以预定速度旋转时形成的涡流腔的示意图；

图5B是在该装置的第一旋转器和第二旋转器静止时形成的涡流腔的示意图；

图6是包括一个实施方式的用于产生涡流腔的装置的等离子体压缩系统的示意性截面图。

具体实施方式

本文中所描述的本发明的实施方式涉及一种能够在旋转的流体(“旋转流体”)中产生涡流腔的装置。该装置能够应用于等离子体压缩系统中，例如应用于General Fusion公司开发的系统中。该装置一般包括具有流体喷射入口和与该入口间隔开的流体排出口的容器。入口联接至流体泵，该流体泵可以操作成控制容器中的流体的精确量并且还可以使流体在容器中循环并在流体中形成涡流腔。泵可以操作成通过改变容器内的流体的量来控制涡流腔的尺寸/几何形状。该装置还包括位于容器的一个端部(“第一端部”)处的第一旋转器和位于容器的另一端部(“第二端部”)处的第二旋转器。第一旋转器和第二旋转器各自包括可旋转构件，该可旋转构件具有面向涡流的表面以使得所形成的涡流可以“坐置”在旋转器表面上；第一旋转器和第二旋转器能够以与涡流大致相同的速度旋转，这可以防止在涡流表面上形成高频波纹。第二旋转器可以以预定的距离布置在排出口上方以防止涡流延伸至出口。这种布置还可以防止在涡流中形成剪切层。流体可以是例如熔融铅的液体或例如液体-固体悬浮液的液体混合物甚至是气体。涡流腔可以包括气体、等离子体或真空。

前几年在General Fusion公司进行的调查已表明，最初存在于液/气界面(特别是具有高波数的液/气界面)上的任何缺陷都可能引发流体动力学的不稳定性并且影响等离子体在腔坍缩期间的压缩效率。图1示出了在General Fusion公司进行的模拟的示例，其示出了流体动力学不稳定性在气体(涡流)腔由于气液界面处的不同幅度的初始扰动而坍缩的期间的演变。图1A示出了在压力波到达界面2之前具有用曲线2示出的气/液界面的涡流腔4。如可以注意到的，在界面2处存在一些小的初始扰动。当压力波使腔4坍缩时(见图1B)，这种初始扰动会引起由曲线3示出的流体动力学不稳定性。图1C示出了具有比图1A中所示的示例更高幅度的初始扰动的气/液界面(曲线6)的另一示例。由于界面6处的初始扰动较大，因此一旦压力波使腔4坍缩，这种初始扰动就会导致界面的更强烈的变形(见图1D)。如可以在图1D中注意到的，界面6处的初始扰动会导致在如由曲线7表示的气/液界面处形成尖锐的尖峰和气泡。因此，清楚的是所产生的涡流腔的高质量——例如，旋转的液体与气体或真空涡流腔之间的液/气界面或液体/真空界面的平滑度——与实现期望的压缩效率相关。

图2A和图2B示出了本发明的涡流发生系统10的一个实施方式的示例。系统10可以是闭环式泵送系统，其可以包括容器12、流体循环(泵送)系统24(见图2B)和至少一个排出口22，流体(“旋转流体”)从至少一个喷射入口13喷射到容器12中。容器12可以具有用以限定容器12的内部空间的第一端部(顶壁)11、第二端部(底壁)20和侧壁30。旋转流体通过入口13切向地喷射到容器12中并且通过出口22从容器12的第二端部20排出。所述至少一个喷射入口定位在容器的赤道平面上(或者靠近容器的赤道定位)并且远离端部11和20。所述至少一个排出口22形成在第一端部11或第二端部20中的一者处，并且与所述至少一个喷射入口13间隔开。在所示示例中，排出口22形成在第二端部20中，但是本领域技术人员将理解入口端口13和/或排出口22可以在不背离本发明的范围的情况下定位在任何其他适当位置处，只要容器12内的旋转流体转动成使得喷射角动量使得可以在这种容器内产生涡流腔40即可。例如，排出口22可以定位在顶部(第一端部11)处或者流体可以通过形成在两个端部11、20处的排出口22排出。

在容器12中诸如例如第一端部11附近以可旋转的方式安装有第一旋转器17，而在某一距离处以可旋转的方式安装有与第一旋转器17相反并面向第一旋转器17的第二旋转器18。两个旋转器17、18可以包括以与流体的局部切向流速相同的速度旋转的可旋转相向表面17a、18a。第一旋转器17和第二旋转器18可以同轴使得可旋转相向表面17a面向可旋转相向表面18a，从而使得涡流腔的一个端部坐置在相向表面17a上而涡流的相反端部坐置在相向表面18a上。所述至少一个排出口22定位在第二旋转器18的下方的预定距离处。其原因是在流体排出附近形成有竖向速度分量的高梯度(剪切层)而使得系统中的任何预先存在的扰动(干扰)都可能由于这些剪切层而被快速放大。剪切层可以形成在一定的径向距离(该径向距离与排出孔的半径相关)处并且可以延伸至出口22上方的一定距离处。因此，排出口附近的旋转器需要定位在与排出口相距足够的距离处以不限制排出口处的流动，使得在任何时候喷射到容器12中的流体的量都可以与从容器排出的流体的量一致，从而保持容器中的旋转的流体的量恒定。与排出口相距更远的旋转器例如第一旋转器17可以以与壁相距足够的间隔的方式安装至该壁(例如，安装在第一端部11处)以允许旋转表面17a旋转，或者在不背离本发明的范围的情况下安装在更大距离处，这是因为在第一旋转器17附近不存在排出开口。在一个执行方式中，系统10可以包括两个排出开口，诸如例如除了位于第二端部20处的一个排出开口之外的位于第一端部11处的一个附加出口。在这种执行方式中，两个旋转器17和18都定位在与相应的排出口相距足够的距离处，以避免限制旋转的流体从排出口流出。排出口22与最近的旋转器(例如第二旋转器18)之间的距离可以由旋转器的尺寸与排出口的尺寸的比确定。例如，如果排出口22的尺寸(半径)小于最近的旋转器(第二旋转器18)的尺寸(半径)，则这样的旋转器应该与排出口22相距更远地定位、即定位在与排出口22相距更大距离处，这是因为旋转器可能限制流体流动导致增大的速度。如果排出口22的尺寸(半径)大于最近的旋转器的尺寸，则出口22与这种旋转器之间的距离可以更小，使得例如旋转的相向表面18a略微高于排出口22。例如，对于具有外半径大约为6.2cm、内半径大约为3.2cm的环形排出口和半径大约为4.6cm的旋转器的装置10来说，旋转器与排出口之间的距离可以是大约2.5cm。

所述至少一个排出口22可以与第一旋转器17和第二旋转器18大致同轴。例如，所述至少一个排出口22可以是形成在第二端部20中的圆形开口(孔)或者是形成在第二端部20中的环孔，并且可以与第一旋转器17和第二旋转器18大致同轴，使得环孔的中心可以位于旋转器17、18的轴线上。在一个执行方式中，排出口22可以包括布置成环孔的多个小开口，使得环孔的中心可以位于第一旋转器17和第二旋转器18的轴线上。

容器12的内部空间可以部分地填充有旋转流体，诸如例如液体介质。最初，系统10可以填充有基于预期的涡流尺寸和系统参数计算出的预定体积的旋转流体。泵送系统24可以包括一个或更多个流体泵26(图6)，所述一个或更多个流体泵26可以开始泵送旋转流体以使该旋转流体在容器12的内部空间中循环。流体泵26可以与所述至少一个喷射入口13联接以使得泵26能够将旋转流体喷射到容器12的内部空间中，使得旋转流体在容器中以足够的角动量旋转以形成在第一旋转器17与第二旋转器18之间延伸的涡流腔40。涡流腔40的半径小于第一旋转器17和第二旋转器18的半径。流体循环系统24还可以包括管道网28(参见图2B和图6)，管道网28流体地联接至所述一个或更多个流体泵26以及所述至少一个流体喷射入口13和所述至少一个流体排出口22以使得从容器12经由所述至少一个流体排出口22排放的旋转流体经由所述至少一个流体喷射入口13再循环回到容器12中。出口22与泵送系统24之间的直接连接确保了固定量的旋转流体在系统10中循环。容器12可以在不背离本发明的范围的情况下呈圆筒形、球形或任何其他适当的形状或尺寸，只要泵送系统、所述至少一个喷射入口和所述至少一个排出口构造成使得旋转流体以足够的角动量旋转以形成涡流腔并且使得流体排放不受限制并远离最近的旋转器即可。

第一旋转器17可以是半径可以等于或大于第二旋转器18的半径的盘形件(在所形成的涡流腔40具有略微呈圆锥形的形状情况下)；反之亦然，在系统10的倒置构型中，第二旋转器18可以具有比第一旋转器17的半径大的半径。第二旋转器18也可以是盘形件。两个旋转器17和18都具有比涡流腔的预期半径大的半径以使得涡流腔40可以坐置在所述两个旋转器17和18之间。涡流腔的一个端部可以坐置在第一旋转器17的相向表面17a上，而涡流腔的相反端部可以坐置在第二旋转器18的相向表面18a上。

在一个执行方式中，容器12还可以包括第一室14和通过分隔壁15而与第一室14分离的第二室16。第一旋转器17和第二旋转器18以使得第一旋转器17安装在第一端部11附近而第二旋转器18安装在分隔壁15附近的方式定位在第一室14内。泵26将旋转流体喷射到第一室14中。可以在分隔壁15中形成至少一个开口19以使得喷射到第一室14中的旋转流体通过开口19排出到第二室16中。旋转流体随后通过排出口22从第二室16移除。开口19可以具有圆形或环形的形状或者任何其他适当的形状，只要开口19位于最近的旋转器例如第二旋转器18的下方的预定距离处即可。在一个执行方式中，开口19可以是形成在分离壁15中、在最近的旋转器(例如，第二旋转器18)下方的多个开口19。第二旋转器18可以定位在开口19的上方的预定距离处以避免在流体排出附近形成剪切层。

旋转器的位置和/或尺寸应该使得该旋转器不阻碍旋转流体的有效排出。例如，第二旋转器18的半径可以略微小于排出开口即开口19的半径。在一个执行方式中，第二旋转器18的半径可以大于开口19的半径并且有效排出可以通过将第二旋转器18与开口19相距更远地定位(定位在开口19上方)来提供，使得旋转器18的尺寸不会妨碍有效排出。

旋转器17和18中的每一者均可以连接至以下马达(参见图6中的马达27)：该马达可以构造成使旋转器17和18在一定速度范围内旋转。在一个执行方式中，旋转器17和18中的每一者均可以由单独的马达来驱动以使得第一旋转器17可以独立于第二旋转器18旋转。因此，旋转器17和18中的每一者均可以以旋转流体与涡流腔的液/气界面或液体/真空界面(在系统10被抽真空的情况下)的局部切向流速进行旋转。当涡流腔的端部接触静止的壁(例如未旋转的旋转器17、18的表面17a、18a)时，在旋转器17、18处由于壁17a、18a上的无滑动(零速度)条件而形成剪切层。这些剪切层可能是在涡流界面上形成高频波纹的原因。将旋转器17、18的转速调节成与涡流的表面上的局部转速相匹配用以消除这些剪切层并且抑制(防止)波纹的形成。在一个执行方式中，系统10可以包括控制器，该控制器与马达27通信以调节旋转器17和18的转速。旋转器17、18可以以相同或不同的速度旋转，该速度被谨慎地调节成与流体的局部流速相匹配以使得所产生的涡流的表面光滑并且没有任何波纹。在大致圆筒形涡流腔的情况下，两个旋转器17和18可以以相同的速度旋转并且因此可以由同一马达驱动。旋转器17和18可以与由这种马达驱动的轴21连接。在一个执行方式中，马达可以被省略并且旋转器17和/或18可以通过流体运动来驱动。例如，旋转器17、18可以包括多个翅片23，所述多个翅片23连接至相应的旋转器17、18的底表面17b、18b并且背离底表面17b、18b延伸以使得所述多个翅片大致垂直于旋转流体的旋转方向定向，从而使得翅片23可以提供用以使旋转器17、18以期望速度转动的摩擦表面。

图3A是图2A和图2B的涡流发生系统10的计算机生成的数值模型的示意性立体图。已经进行了许多模拟以探索系统10的不同参数及其在等离子体压缩系统200(图6)中的执行方式。利用开源计算流体力学软件来执行模拟。图3A中所示的模型的尺寸和几何形状对应于图2A和图2B的使用旋转盘形件17和18的实验系统10。图4A是图3A中所示的装置中的涡流形成的示意性立体图。为简化起见，在图4A中仅示出了具有第二旋转器18的第一室14的下部部分和第二室16。模拟已经表明，可以在旋转器17、18以接近涡流的局部流速的速度或者以涡流的局部流速诸如例如大约80rad/s(弧度/秒)旋转时利用旋转器17、18获得具有光滑表面的稳定涡流腔40。模拟结果通过实验而得到了支持。此外，模拟中的涡流开始和形成过程与图2至图6中所示的系统10相匹配。

图3B示出了涡流发生系统10的另一实施方式的计算机生成的数值模型的示意性立体图，而图4B是图3B中所示的装置中的涡流形成的示意性立体图。本实施方式还可以包括作为图3A的装置的两个旋转器。第一旋转器17可以是盘形件(类似于图2A和图3A的盘形件17)，而第二旋转器180可以是旋转中空管或具有中心开口的环形件。在图3B所示的实施方式中，第二旋转器180是具有被实心边缘50包围的中心开口的中空管。中空管180可以具有带底端部180b、可旋转相向表面(顶端部)180a和在端部180a与端部180b之间延伸的侧壁180c的圆筒形或圆锥形的形状或者任何其他适当的形状或其组合。侧壁180c的厚度限定管180的中心开口和固定边缘50在相向表面180a处的宽度。实心边缘50在相向表面180a处的宽度应当足以支承涡流腔。一旦涡流腔形成，该涡流腔就可以坐置在管180的实心边缘50上。在一个实施方式中，第一旋转器还可以是类似于旋转器180的中空管或环形件170(参见图6)。两个旋转器都可以通过马达27(图6)而转动或者可以通过流体旋转来驱动。如图3B和图4B中所示，只要旋转的相向表面180a略微高于开口19，第二旋转器180的底端部180b可以延伸到容器12的第二室16中。在替代性执行方式中，第二室16的底部部分可以填充有多个分隔挡板室250，其可以在旋转流体从第二室16通过出口22排出之前使旋转流体的旋转流动分散并“平静下来”。如图3B和图4B中所示，挡板室250可以通过多个翼片260而形成，所述多个翼片260安装在底壁20的内侧部上以使得翼片260从底壁20向上突出到第二室16中从而形成挡板室250。来自挡板室250的旋转流体可以通过排出口22流动到循环系统24中。在一个实施方式中，翼片260可以被省略或者安装到循环系统24的管道网28中以使得旋转流体的流动减慢。

图5A是在装置10的第一旋转器17和第二旋转器18以预定速度旋转时形成的涡流腔的示意图。容器12填充有水——即，旋转流体是水——使得可以容易地观察到涡流形成过程。图5B是在装置10的第一旋转器17和第二旋转器18静止时形成在旋转的水中的涡流腔的示意图。如图5A中所示，在两个旋转器17和18以预定转速旋转时形成于第一旋转器17与第二旋转器18之间的涡流腔40具有平滑的且没有波纹的壁。另一方面，如图5B中所示，当第一旋转器17和第二旋转器18静止时，所产生的涡流腔40包括具有明显示出的波纹的不稳定表面。

图6示出了采用涡流发生系统10的等离子体压缩系统200的示例。系统200包括等离子体压缩室120，等离子体压缩室120具有限定等离子体压缩室120的内部空间140的外壁。室120的内部空间可以部分地填充有旋转流体，诸如例如液体介质。液体介质可以是熔融金属，例如铅、锂或钠或者这些金属的合金、组合或混合物。室120包括下述的至少一个开口：等离子体发生器220的尖端可以插入到所述至少一个开口中以将等离子体喷射到室120中的涡流腔40中。开口可以在不背离本发明的范围的情况下形成在室120的极点处或者形成在赤道表面上或任何其他适当的位置。如本文中在上面所提及的，室120可以在不背离本发明的范围的情况下具有不同的尺寸和形状。例如，等离子体压缩室120可以是圆筒形的、球形的、椭圆形的、圆锥形的或任何其他适当的形状或其组合。室120可以利用泵送系统(未示出)被至少部分地抽真空。

多个压力波发生器280可以构造成在被容纳于室120内的介质中产生压力波。压力波发生器280可以通过撞击室120的外壁而在介质中产生压力波。等离子体发生器220可以是用于产生随后喷射到压缩室120中的等离子体并使等离子体加速的两级马歇尔枪型喷射器。等离子体可以呈紧凑的环形(CT)例如球马克(Spheromak)，球马克是具有环向磁场和极向磁场的自维持环形等离子体。在其他实施方式中，CT可以是等离子体的场反向构型(FRC)——其还具有环形磁拓扑，但是可以在轴向方向上更细长而使得外表面类似于长椭圆体，并且其具有带较小环形磁场分量或零环形磁场分量的极向磁场——或者任何其他紧凑的环形构型例如托卡马克、仿星器或反向场箍缩(RFP)。等离子体发生器220以液密封的方式对准并插入到形成在室120的外壁中的开口中。在所示示例中，室120具有位于其各个极点处的两个开口使得存在两个发生器220(每个开口一个发生器220)。在发生器220中的每个发生器220中产生的等离子体喷射到利用如本文中在上面所描述的涡流发生系统形成在第一旋转器170与第二旋转器180之间的涡流腔40中。所喷射的两束等离子体随后可以在涡流腔40内合并。

图6还示出了构造为环形件的第一旋转器170和构造为中空管的第二旋转器180。旋转器170和180还可以包括可动盖210，可动盖210构造成在形成涡流腔40并使涡流腔40稳定的操作期间覆盖相应的相向端部170a和180a。相应的旋转器170、180的端部170b、180b可以是敞开的并且可以与等离子体发生器220流体连通以使得等离子体可以通过中空的旋转器170、180而喷射到涡流腔40中。盖210能够从第一位置移动至第二位置，其中，在第一位置中，盖210封闭相向端部170a、180a(参见图6中的第二旋转器180，其示出了盖210覆盖相向端部180a)，在第二位置中，相向端部170a、180a敞开(参见第一旋转器170，示出了盖210缩回到缝240内)。因此，一旦稳定的涡流40坐置在由第一旋转器170和第二旋转器180的实心边缘50支承的第一旋转器170和第二旋转器180之间，盖210就可以缩回到凹槽或缝240中。缝240可以形成在相应的旋转器170、180的侧壁的内侧处，使得盖210可以在处于第二位置时缩回到这样的缝内。盖210能够利用驱动件(未示出)——该驱动件可以是电驱动件或机械驱动件——而在其第一位置与其第二位置之间移动。盖210的驱动可以由控制器(未示出)控制，该控制器可以触发驱动件驱动盖210封闭或敞开相应的旋转器170、180的端部170a、180a。为了利用系统10产生稳定的涡流腔，盖210可以处于其封闭相应的旋转器170、180的相向端部170a、180a的第一位置。该系统可以填充有基于预期的涡流尺寸计算和系统参数计算出的预定体积的流体。

在一种操作模式中，泵送系统24可以开始泵送旋转流体、使该旋转流体循环并且由于旋转流体的旋转流动而形成涡流腔40。在排出口22上方存在旋转器(旋转的或静止的)用以防止涡流腔40延伸到排出口22中。排出口22可以是围绕室的开口而形成的环孔，等离子体发生器220的尖端以液密封的方式插入室的开口；该环孔的中心可以位于旋转器170、180的轴线上。旋转器170、180可以以与旋转流体/涡流腔界面(液/气界面或液体/真空界面)的速度相匹配的速度旋转，这用以消除边界层在旋转器170、180的壁(相向表面170a、180a)上的形成，这又用以防止在涡流表面上形成高频波纹。一旦稳定的涡流腔40坐置在旋转器170、180之间，盖210就缩回至其第二位置使得旋转器170和180的端部170a、180a敞开，从而使得涡流腔40与等离子体发生器220连通并且等离子体可以插入到涡流腔40中。

在图6中所示的一个执行方式中，可以将室270(室270具有大容量以形成自由表面)形成在泵26之前以使得流体流动可以在室270处分散并减慢以消除在流体进入泵26之前可能在流体流动中出现的任何被捕获的气泡。

本领域技术人员将理解，所形成的涡流腔40可以在不背离本发明的范围的情况下竖向地或水平地定向(如图2至图6中所示)。例如，旋转器17、170和18、180可以安装在室12、120的侧壁处以使得流体可以从形成在室12、120的底部和/或顶部处的多个端口13喷射到室中，同时使得流体可以从形成在室12、120的侧壁处的排出开口排出。室内的流体的旋转流量需要足够高以克服重力从而成功地产生水平地延伸并且坐置在如此定位的旋转器17/170与旋转器18/180之间的涡流腔。

所描述的涡流发生系统的示例可以被用在等离子体压缩系统中以使得插入到涡流腔40中的等离子体可以被由压力波发生器280产生的会聚的压力波压缩。这种会聚的压力波使涡流腔40坍缩从而压缩被捕获在涡流腔40中的等离子体。此外，可以出于研究目的将这些系统用于研究涡流形成、动力学和相互作用或者用在各种颗粒分离系统中。

尽管已经示出并描述了本公开的特定元件、实施方式和应用，但是应当理解的是，本公开的范围不限于此，这是因为可以在不背离本公开的范围的情况下、特别是根据前述教导做出修改。因此，例如，在本文中所公开的任意方法或过程中，构成该方法/过程的动作或操作可以以任何适当的顺序执行并且不一定限于任何特定的公开顺序。各元件和部件可以在不同实施方式中以不同方式进行构造或布置、组合和/或省略。上述的各个特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以不同方式进行组合。所有可能的组合和子组合均意在落入本公开的范围内。在本公开内容中对“一些实施方式”、“实施方式”等的引用意味着结合实施方式所描述的特定特征、结构、步骤、过程或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，本公开中的短语“在一些实施方式中”、“在实施方式中”等的出现不一定全部指相同的实施方式，而是可以指相同或不同的实施方式中的一个或更多个实施方式。实际上，本文中所描述的新颖的方法和系统可以以各种其他形式实施；此外，可以在不背离本文中所描述的本发明的精神的情况下对本文中所描述实施方式的形式做出各种省略、添加、替换、等同替代、重新布置以及改变。

已经适当地描述了实施方式的各个方面和优点。应当理解的是，根据任何特定实施方式，不一定所有这些方面或优点都可以实现。因此，例如，应当意识到的是，可以以实现或优化如本文中所教导的一个优点或一组优点而非一定实现如本文中可能教导或提出的其他方面或优点的方式来执行各种实施方式。

除非另有具体地陈述或者另外如所使用的在上下文中理解的，否则本文中所使用的条件语言——例如其中，“能够”、“能”、“可能”、“可以”、“例如”等——一般意在传达某些实施方式包括而其他实施方式不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这种条件语言一般无意于暗示一个或更多个实施方式在任何情况下都需要这些特征、元件和/或步骤，或者暗示一个或更多个实施方式必须包括用于在具有或没有操作者输入或提示的情况下判断在任一特定实施方式中是否包括或要执行这些特征、元件和/或步骤的逻辑。并非任何特定实施方式都需要单一特征或特征组，或者该单一特征或特征组对任何特定实施方式来说并非都是必不可少的。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的并且以开放式的方式包容性地使用，并且不排除附加元件、特征、动作、操作等。另外，术语“或”以其包容性意义(而不是其排他性意义)使用以使得在被用来例如连接一系列元件时术语“或”意指系列中的一个元件、一些元件或所有元件。

除非另有具体地陈述，否则结合措辞例如短语“X、Y和Z中的至少一者”结合上下文以通常所使用的方式被理解为表示某项目、术语等可以是X、Y或Z。因此，这种结合措辞一般无意于暗示某些实施方式要求分别存在X中的至少一者、Y中的至少一者和Z中的至少一者。

本文中所描述的实施方式的示例性计算、模拟、结果、图表、值以及参数意在说明而非限制所公开的实施方式。其他实施方式可以以与本文中所描述的说明性示例不同的方式构造和/或操作。实际上，本文中描述的新颖方法和装置可以以各种其他形式实施；此外，可以在不背离本文中公开的本发明的精神的情况下对本文中所描述的方法和系统的形式做出各种省略、替换和改变。

Claims (24)

1.一种用于在旋转的流体中产生涡流腔的装置，所述装置包括：

容器，所述容器包括：

第一旋转器，所述第一旋转器具有以可旋转的方式布置在所述容器内的可旋转相向表面；

第二旋转器，所述第二旋转器与所述第一旋转器间隔开并且具有以可旋转的方式布置在所述容器内的可旋转相向表面，所述第二旋转器的可旋转相向表面与所述第一旋转器的可旋转相向表面同轴并且面向所述第一旋转器的可旋转相向表面，

至少一个流体喷射入口，所述至少一个流体喷射入口位于所述第一旋转器与所述第二旋转器之间并且与所述容器的内部流体连通，使得能够将旋转流体以使所述旋转流体在所述第一旋转器与所述第二旋转器之间旋转流动的方式喷射到所述容器中；

流体泵，所述流体泵联接至所述至少一个流体喷射入口并且能够操作成将旋转流体喷射到所述容器中，使得所述旋转流体以足够的角动量旋转以形成在所述第一旋转器与所述第二旋转器之间延伸、半径小于所述第一旋转器的半径和所述第二旋转器的半径的涡流腔，并且其中，所述涡流腔的一个端部坐置在所述第一旋转器的可旋转相向表面上，并且所述涡流腔的相反端部坐置在所述第二旋转器的可旋转相向表面上；以及

至少一个旋转流体排出口，所述至少一个旋转流体排出口与所述容器的内部流体连通，所述至少一个排出口与所述第一旋转器和所述第二旋转器间隔开足够的距离以允许旋转流体从所述容器排出。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个排出口与所述第一旋转器和所述第二旋转器同轴。

3.根据权利要求1所述的装置，还包括管道网，所述管道网流体地联接至所述流体泵以及所述至少一个流体喷射入口和所述至少一个流体排出口，使得从所述容器经由所述至少一个流体排出口排放的旋转流体经由所述至少一个流体喷射入口再循环回到所述容器中。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一旋转器和所述第二旋转器中的至少一者的可旋转相向表面还包括由具有足以支承所述涡流腔的宽度的实心边缘包围的中心开口。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一旋转器和所述第二旋转器中的所述至少一者是中空管，并且包括由所述实心边缘包围的所述中心开口的所述可旋转相向表面位于所述中空管的一个端部处。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述中空管还包括内侧壁、可动盖和驱动件，所述内侧壁具有沿着所述内侧壁的周面延伸的缝，所述驱动件与所述可动盖连通，所述驱动件构造成将所述可动盖在封闭所述中心开口的第一位置与不封闭所述中心开口的第二位置之间驱动。

7.根据权利要求1所述的装置，还包括至少一个马达，所述至少一个马达能够操作成使所述第一旋转器和所述第二旋转器以预定转速旋转。

8.根据权利要求7所述的装置，还包括两个马达，所述两个马达即为联接至所述第一旋转器的第一马达和联接至所述第二旋转器的第二马达。

9.根据权利要求7所述的装置，还包括控制器，所述控制器与所述至少一个马达电通信并且被编程为操作所述至少一个马达以分别调节所述第一旋转器和所述第二旋转器的转速。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一旋转器和所述第二旋转器各自还包括多个翅片，所述多个翅片连接至所述第一旋转器的底表面和所述第二旋转器的底表面并且背离所述第一旋转器的底表面和所述第二旋转器的底表面而延伸，使得所述多个翅片大致垂直于旋转流体的旋转方向定向。

11.根据权利要求1所述的装置，还包括多个流体喷射入口，所述多个流体喷射入口围绕所述容器的侧壁周向地布置并且定位成使得旋转流体切向地喷射到所述容器中，并且其中，所述容器包括位于所述第一旋转器附近的第一端部和位于所述第二旋转器附近的第二端部，并且所述至少一个排出口包括位于所述容器的所述第二端部处并与所述第二旋转器间隔开的一个排出口。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括位于所述容器的所述第一端部处并与所述第一旋转器间隔开的另一排出口。

13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述容器还包括分隔壁，所述分隔壁具有至少一个开口并且所述分隔壁将所述容器的内部分隔成第一室和第二室，其中，所述第一旋转器和所述第二旋转器定位在所述第一室内，并且所述第二旋转器安装至所述分隔壁并且与所述分隔壁中的所述至少一个开口间隔开，并且其中，所述至少一个流体喷射入口与所述第一室流体连通并且所述至少一个排出口与所述第二室流体连通，并且其中，所述至少一个开口定位在所述分隔壁中以允许旋转流体从所述第一室排出到所述第二室中。

14.根据权利要求13所述的装置，还包括多个挡板，所述多个挡板安装在所述第二室的底部处使得在所述第二室中流动的旋转流体在与所述挡板接触时减速。

15.根据权利要求1所述的装置，还包括多个挡板，所述多个挡板安装在所述至少一个排出口中使得流到所述至少一个排出口中的流体在与所述挡板接触时减速。

16.一种等离子体压缩系统，包括：

等离子体压缩室，所述等离子体压缩室用于容纳旋转流体并且具有限定所述等离子体压缩室的内部空间的外壁，并且所述等离子体压缩室包括至少一个旋转流体喷射入口和与所述至少一个旋转流体喷射入口间隔开的至少一个旋转流体排出口；

至少一个等离子体发生器，所述至少一个等离子体发生器构造成产生等离子体并且具有与所述内部空间流体连通的排出口，使得所产生的等离子体能够排放到所述等离子体压缩室中；

压力波发生器，所述压力波发生器包括围绕所述等离子体压缩室布置的多个活塞，所述活塞能够操作成接触所述外壁并且产生会聚到所述内部空间中的旋转流体中的会聚的压力波；

涡流腔发生器装置，包括：

第一旋转器，所述第一旋转器具有以可旋转的方式布置在所述等离子体压缩室内的可旋转相向表面；

第二旋转器，所述第二旋转器与所述第一旋转器间隔开并且具有以可旋转的方式布置在所述等离子体压缩室内的可旋转相向表面，所述第二旋转器的可旋转相向表面与所述第一旋转器的可旋转相向表面同轴并且面向所述第一旋转器的可旋转相向表面；

其中，所述至少一个流体喷射入口位于所述第一旋转器与所述第二旋转器之间并且与所述内部空间流体连通，使得能够将旋转流体以使所述旋转流体在所述第一旋转器与所述第二旋转器之间旋转流动的方式喷射到所述等离子体压缩室中，并且其中，所述至少一个旋转流体排出口与所述内部空间流体连通并且与所述第一旋转器和所述第二旋转器间隔开足够的距离以允许所述旋转流体从所述等离子体压缩室排出；以及

流体泵，所述流体泵联接至所述至少一个流体喷射入口并且能够操作成将旋转流体喷射到所述等离子体压缩室中使得所述旋转流体以足够的角动量旋转从而形成在所述第一旋转器与所述第二旋转器之间延伸、半径小于所述第一旋转器的半径和所述第二旋转器的半径的涡流腔，并且其中，所述涡流腔的一个端部坐置在所述第一旋转器的可旋转相向表面上，并且所述涡流腔的相反端部坐置在所述第二旋转器的可旋转相向表面上，

其中，所述第一旋转器和所述第二旋转器中的至少一者包括由具有足以支承所述涡流腔的宽度的实心边缘包围的中心开口，所述中心开口与所述等离子体发生器的所述排出口对准，使得由所述等离子体发生器排放的等离子体进入所述涡流腔。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述至少一个排出口与所述第一旋转器和所述第二旋转器同轴。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，具有所述中心开口的所述至少一个旋转器是中空管，并且包括由所述实心边缘包围的所述中心开口的所述可旋转相向表面位于所述中空管的一个端部处。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述中空管还包括内侧壁、可动盖和驱动件，所述内侧壁具有沿着所述内侧壁的周面延伸的缝，所述驱动件与所述可动盖连通，所述驱动件构造成将所述可动盖在封闭所述中心开口的第一位置与不封闭所述中心开口的第二位置之间驱动。

20.根据权利要求16所述的系统，还包括至少一个马达，所述至少一个马达能够操作成使所述第一旋转器和所述第二旋转器以预定转速旋转。

21.根据权利要求20所述的系统，还包括两个马达，所述两个马达即为联接至所述第一旋转器的第一马达和联接至所述第二旋转器的第二马达。

22.根据权利要求20所述的系统，还包括控制器，所述控制器与所述至少一个马达电通信并且被编程为操作所述至少一个马达以分别调节所述第一旋转器和所述第二旋转器的转速。

23.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第一旋转器和所述第二旋转器各自还包括多个翅片，所述多个翅片连接至所述第一旋转器的底表面和所述第二旋转器的底表面并且背离所述第一旋转器的底表面和所述第二旋转器的底表面而延伸，使得所述多个翅片大致垂直于旋转流体的旋转方向定向。

24.一种用于在等离子体压缩系统中产生涡流腔的方法，所述方法包括：

在等离子体压缩室内提供第一旋转器并且在所述等离子体压缩室内提供与所述第一旋转器间隔开的第二旋转器，其中，所述第一旋转器和所述第二旋转器各自包括布置在所述等离子体压缩室内的彼此同轴且面向彼此的可旋转相向表面，

使旋转流体在所述等离子体压缩室内以足够的角动量循环以形成在所述第一旋转器与所述第二旋转器之间延伸的涡流腔；以及

使所述第一旋转器的可旋转相向表面和所述第二旋转器的可旋转相向表面以一定速度旋转，以使得所述涡流腔的第一端部坐置在所述第一旋转器的可旋转相向表面上并且所述涡流腔的相反的第二端部坐置在所述第二旋转器的可旋转相向表面上，并且其中，所述涡流腔的半径小于所述第一旋转器的半径和所述第二旋转器的半径。