CN107115982A - 一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，解决了现有技术中对于低粘度液体，通过单个喷孔直接利用Rayleigh模式无法喷射生成大粒径均匀液滴的问题。液滴喷射装置包括壳体、压电陶瓷致动器、整流板、喷头、橡胶密封圈；整流板上开有多个整流通孔进行液体均流；所述喷头上设置有多个沿圆周均布的喷孔，各喷孔的中心线与喷头中轴线相交于喷射下游的同一点。在Rayleigh模式下，单个喷孔喷射出的射流表面波逐渐发展并形成粒径均匀的液滴阵列，各喷孔生成的小液滴阵列在喷孔中心线交点位置撞击并融合成一个大粒径的液滴阵列，融合过程中的扰动在表面张力的作用下逐渐耗散，生成大液滴趋于稳定。
Description
技术领域
本发明涉及喷射装置领域，具体涉及一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置。
背景技术
空间环境指航天器在外层空间飞行时所处的环境条件。
低粘度液体大直径液滴在空间环境下的撞壁特性研究对我国航天器受大直径液体太空垃圾污染与破坏后的损伤评估具有重要意义与科学研究价值，如何生成指定粒径的低粘度液滴是开展上述研究的基础与必要条件，但根据Rayleigh模式射流破碎均匀液滴生成原理，指定液体密度、粘度系数以及喷射速度条件下，生成液滴的直径范围存在上限，无法实现更大粒径的液滴生成，下面详细进行说明。
雷诺数Re是表征流体流动特性的一个重要参数。为流体惯性力和粘性力之比，定义式是Re＝ρvd/μ，式中ρ表示流体密度，v表示流体流动速度，d表示喷嘴直径，μ表示流体的粘性系数，当Re<2300时，称为层流状态，能够将射流破碎生成均匀液滴的Rayleigh模式就处于此状态下。
根据喷射速度从低到高，液体射流破碎成液滴的模式依次分为Rayleigh模式破碎，一次风生破碎、二次风生破碎和雾化破碎。
现有研究结果表明，射流只有在Rayleigh模式下才能够破碎生成粒径均匀的液滴阵列，即存在限制条件Re<2300。由Re数定义式可知，低粘度流体的粘性系数μ较小，对于相同的流体密度ρ、运动速度v条件，射流直径d存在上限，相应的液滴生成直径D也存在上限。以液体密度1000kg/m3、粘度系数0.01Pa.s、速度30m/s为例，层流状态下的射流直径上限为0.77mm，根据曹建明教授在《喷雾学》中提出的D＝1.9d关系，生成均匀液滴的直径上限为1.5mm，无法进一步实现更大粒径的均匀液滴阵列生成。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，解决了现有喷射装置对于低粘度液体，在空间环境下无法通过单个喷孔直接利用Rayleigh模式喷射生成大粒径的均匀液滴。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，包括壳体、压电陶瓷致动器、整流板、喷头、橡胶密封圈；其中壳体壁上开有径向通孔，橡胶密封圈设置在喷头与壳体之间，整流板上开有多个整流通孔；
其特殊之处在于：喷头上设置有多个沿圆周均布的喷孔，各喷孔的中心线与喷头中轴线相交于喷射下游的同一点。
为了平衡压力陶瓷致动器受到的液体拉力，本发明的喷射装置还包括弹性件；壳体包括首尾固定连接的前壳体和后壳体；前壳体前端设置有沿前壳体中心径向延伸的前壳体挡板，弹性件设置在喷头和前壳体挡板之间。
为平衡压力陶瓷致动器受到的液体拉力，同时也便于弹性件的拆装，本发明的喷射装置还可设计为：包括弹性件，套筒状顶盖；所述顶盖后端固定连接在壳体上，顶盖前端设置有沿顶盖中心径向延伸的顶盖挡板，弹性件设置在喷头和顶盖挡板之间。
进一步地，所述弹性件为弹簧；其中弹簧初始时为压缩状态，弹簧压缩量x＞PA/k，式中：x为弹簧的压缩量，P为喷射装置内的液体压力，A为喷头截面积，k为弹簧刚度系数。
进一步地，喷头与压电陶瓷致动器固定连接，喷头外径小于壳体壁内径。
进一步地，喷头喷孔的孔径范围d2＝0.2～1.6mm。
进一步地，喷头喷孔的长径比范围L/d2＝1～3。
进一步地，整流板上的多个通孔孔径d1小于喷头的喷孔孔径d2；喷头上的喷孔中心线与喷头中心轴线夹角α＜5°。
为进一步有效保证压电陶瓷致动器稳定的位移输出与轴线方向的伸缩能力，压电陶瓷致动器采用多层压电陶瓷堆叠的高压机械封装形式，其身部外壁为直管与波纹管组合式结构。
进一步地橡胶密封圈材质选用FLS氟硅橡胶。
为便于液体供应，喷射装置还包括内部设有供液通道的转接头，该转接头一端固定连接在所述壳体壁上的径向通孔处，另一端通过螺纹与喇叭口端面与供应系统的接触端面可靠密封。
喷射装置工作时，低粘度液体由壳体上的径向孔进入壳体与压电陶瓷致动器之间的环缝内，经整流板整流后，通过喷头的各个喷孔喷出。压电陶瓷致动器在电源的驱动下带动喷头以一定频率沿轴向往复运动，诱使喷头与整流板之间的液体产生等频率的压力与流量振荡，并使喷孔喷出的射流也具有等频率的表面波，在RayLeigh模式下表面波逐渐发展并形成粒径均匀的液滴阵列。由于喷头的各喷孔的中心线相交于喷头下游的同一点位置，因此各喷孔生成的小液滴阵列在对应交点位置撞击并融合成一个大粒径的液滴阵列，融合过程中的扰动在表面张力的作用下逐渐耗散，生成大液滴趋于稳定。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、喷头上的各喷孔沿喷头的中心轴线对称分布且各喷孔中心线相交于喷射下游的同一点，因此各喷孔生成的小液滴阵列在对应交点位置撞击且相互间径向分力抵消，通过液滴撞击融合的方法，把利用Rayleigh模式生成的多束较小直径液滴阵列，融合成了一束大直径的液滴阵列。
2、由于压电陶瓷致动器只能在受压的情况下工作，压电陶瓷致动器受到流体喷射方向的拉力后会逐渐改变原有的压缩状态，在喷头和壳体间固定设置弹性件，预先压紧弹性件，可以平衡压力陶瓷致动器受到的液体拉力，从而避免了液体压力过大导致的压电陶瓷致动器出力衰减。
3、现有技术中的液滴发生器里的激励部件很小、激励能量小、激励流体产生振荡的幅度有限，本发明直接把压电陶瓷致动器和可沿轴向运动的喷头连接起来，极大增大了喷射器里的流体振荡幅值，使生成液滴的可靠性更高。
附图说明
图1为本发明的用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置实施例一结构示意图；
图2为本发明的用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置实施例二结构示意图；
图3为本发明的用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置尺寸标记示意图；
图4为图1与图2的A—A剖面图；
图5为图1与图2的B—B剖面图；
图6为喷头的结构示意图。
其中：1—压电陶瓷致动器、2—密封垫、3—壳体、31—后壳体、32—前壳体、321—前壳体挡板、322—前壳体套环、4—转接头、5—喷头、6—整流板、7—定位整流板、8—垫片、9—橡胶密封圈、10—弹簧、11—顶盖、111—顶盖挡板、112—顶盖套环、α—喷头上的喷孔中心线与喷头中心轴线夹角、d1—整流板孔直径、d2—喷头喷孔直径、L—喷头喷孔长度。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图1至附图6，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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。
实施例一：如图1，用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置包括前壳体32、后壳体31、压电陶瓷致动器1、喷头5、橡胶密封圈9、整流板6、定位整流板7、弹簧10、顶盖11、转接头4；压电陶瓷致动器1采用多层压电陶瓷堆叠的高压机械封装形式，其身部外壁中间段为波纹管状，两端为直管状；定位整流板7与后壳体31为一体件，位于整流板6上游，压电陶瓷致动器穿过定位整流板7的中心孔，前壳体32和后壳体31首尾焊接组成壳体3，整流板6卡接在前壳体32和后壳体31的连接端面处；后壳体31壁上开有径向通孔作为液体的进口；压电陶瓷致动器1通电端紧套在后壳体31内，另一端与喷头5连接，喷头5位于前壳体32内，且喷头5外径小于前壳体32内径，橡胶密封圈9选用FLS氟硅橡胶，设置在喷头5与前壳体32的环缝之间，保证喷头5与前壳体32的可靠密封；整流板6中心开有通孔，压电陶瓷致动器1从该中心通孔穿过，通孔孔径大于与之配合的压电陶瓷致动器1对应位置的外径，整流板6上由中心向外发散设置有多个均匀分布的大小相等整流通孔；转接头4呈中空结构且一端开口呈漏斗状，转接头4另一端固定连接在后壳体31壁上的径向通孔处。
如图6所示，喷头5上设置有20个中心线相交于喷射下游的同一点的孔径d2＝1.6mm的相同喷孔，各喷孔沿喷头的中心轴线对称分布，各喷孔沿圆周方向均匀分布，喷头喷孔的长径比L/d2＝1，喷头的喷孔孔径d2大于整流板上的多个通孔孔径d1，喷头上的喷孔中心线与喷头中心轴线夹角α＝4°；
顶盖11呈中通套筒状结构，顶盖11一端通过螺纹连接在前壳体32上，顶盖11另一端设置径向延伸的顶盖挡板111和与顶盖挡板111垂直的伸向喷射上游的顶盖套环112，弹簧10两端分别通过喷头5和顶盖挡板111压紧；用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置中的带压液体通过喷头5对压电陶瓷致动器施加拉力，这部分作用力通过弹簧10的预压力进行平衡；弹簧10预压缩量x＞PA/k，式中：x为弹簧的压缩量，P为喷射装置内的液体压力，A为喷头(5)截面积，k为弹簧刚度系数。
实施例二：如图2所示，用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置包括前壳体32、后壳体31、压电陶瓷致动器1、喷头5、橡胶密封圈9、整流板6、定位整流板7、弹簧10、转接头4；压电陶瓷致动器1采用多层压电陶瓷堆叠的高压机械封装形式，其身部外壁中间段为波纹管状，两端为直管状；定位整流板7与后壳体31为一体件，位于整流板6上游，压电陶瓷致动器穿过定位整流板7的中心孔，前壳体32和后壳体31首尾焊接组成壳体3，整流板6卡接在前壳体32和后壳体31的连接断面处；后壳体31壁上开有径向通孔作为液体的流入口；压电陶瓷致动器1通电端紧套在后壳体31内，另一端与喷头5螺纹连接，喷头5位于前壳体32内，且喷头5外径小于前壳体32内径，橡胶密封圈9选用FLS氟硅橡胶，设置在喷头5与前壳体32的环缝之间，保证喷头5与前壳体32的可靠密封；整流板6中心开有通孔，压电陶瓷致动器1从该中心通孔穿过，通孔孔径大于与之配合的压电陶瓷致动器1对应位置的外径，整流板6上由中心向外发散设置有多个均匀分布的大小相等整流通孔；转接头4呈中通空结构且一端开口呈漏斗状，转接头4固定连接在后壳体31壁上的径向通孔处。
喷头5上设置有10个中心线相交于喷射下游的同一点的孔径d2＝0.2mm的相同喷孔，各喷孔沿喷头5的中心轴线对称分布，各喷孔沿圆周方向均匀分布，喷头5喷孔的长径比L/d2＝3，喷头的喷孔孔径d2大于整流板上的多个通孔孔径d1，喷头5上的喷孔中心线与喷头5中心轴线夹角α＝3.5°；
前壳体32靠近喷射下游的一端设置有向前壳体32中心径向延伸的前壳体挡板321和与前壳体挡板321垂直的伸向喷射上游的前壳体套环322，弹簧10两端分别通过喷头5和前壳体挡板321压紧；弹簧10初始时为压缩状态，弹簧10压缩量x＞PA/k，式中：x为弹簧的压缩量，P为喷射装置内的液体压力，A为喷头5截面积，k为弹簧刚度系数。用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置中的带压液体通过喷头5向压电陶瓷致动器1施加拉力，这部分拉力通过弹簧10压缩恢复力平衡。
喷射装置工作时，低粘度液体由后壳体31上的径向孔进入壳体3与压电陶瓷致动器1之间的环缝内，经定位整流板7一次整流后又经整流板6二次整流，液体均匀流动，通过喷头5的各个喷孔喷出。压电陶瓷致动器1在电源的驱动下带动喷头5以一定频率沿轴向往复运动，诱使整流板6与喷头5之间区域内的液体产生等频率的压力与流量振荡，并使喷孔喷出的射流表面也叠加有有等频率的初始表面波，在Rayleigh模式下表面波逐渐发展并形成粒径均匀的液滴阵列。由于喷头5的各喷孔的中心线相交于喷头5下游的同一点位置，因此各喷孔生成的小液滴阵列在对应交点位置撞击并融合成一个大粒径的液滴阵列，融合过程中的扰动在表面张力的作用下逐渐耗散，生成大液滴趋于稳定。
下面对空间环境下低粘度液体在Rayleigh模式下生成液滴的过程进行具体实例分析：
Rayleigh模式射流破碎的限制条件为：
1)液体We数：WeL>8，其中WeL＝ρv2d/σ，式中ρ为液体密度、v为液滴流动速度、d为喷孔直径、σ为液体表面张力系数。本项条件主要用于限定喷嘴孔径的设计下限(最小值)，即d>8σ/(ρv2)；
2)环境气体We数：Weg<0.4或1.2+3.41Oh0.9，其中Weg＝ρgv2d/σ，式中ρg为气体密度；空间环境下的气体密度很小，Weg近似为零，以上条件能够满足；
3)Rayleigh模式发生在层流为状态，即Re<2300，其中Re＝ρvd/μ，式中μ表示流体的粘性系数。本项条件主要用于限定喷嘴孔径的设计上限(最大值)，即d＜2300μ/(ρv)；
以粘度系数20mPa.s的二甲基硅油工质在30m/s喷射速度工况为例，其物性参数为：密度950kg/m3，表面张力为20.6mN/m，计算过程如下：
单个喷孔直径：
单个喷孔生成的液滴直径最大值D＝1.9*d＝3.1mm
当喷孔数量取到30，即可使整个喷射器生成一束直径为的液滴阵列。注意，单个喷嘴最大只能生成1.6mm直径液滴，只有通过融合的方法才可以生成达到直径为8mm的大液滴。
理论上，如果喷孔数量更多，生成的液滴直径更大，因为通过撞击融合的方式已经绕过了Rayleih模式生成液滴的限制条件。
Claims (10)
1.一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，包括壳体(3)、压电陶瓷致动器(1)、整流板(6)、喷头(5)、橡胶密封圈(9)；所述壳体(3)壁上开有径向通孔，所述橡胶密封圈(9)设置在喷头与壳体之间，所述整流板(6)上开有多个整流通孔；
其特征在于：所述喷头(5)上设置有多个沿圆周均布的喷孔，所述各喷孔的中心线与喷头(5)中轴线相交于喷射下游的同一点。
2.根据权利要求1所述一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，其特征在于：还包括弹性件；所述壳体(3)包括首尾固定连接的前壳体(32)和后壳体(31)；所述前壳体(32)前端设置有沿前壳体(32)中心径向延伸的前壳体挡板(321)，所述弹性件设置在喷头(5)和前壳体挡板(321)之间。
3.根据权利要求1所述一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，其特征在于：还包括弹性件，套筒状顶盖(11)；所述顶盖(11)后端固定连接在壳体(3)上，顶盖(11)前端设置有沿顶盖中心径向延伸的顶盖挡板(111)，所述弹性件设置在喷头(5)和顶盖挡板(111)之间。
4.根据权利要求2或3所述一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，其特征在于：所述弹性件为弹簧(10)；所述弹簧初始时为压缩状态，弹簧(10)压缩量x＞PA/k，式中：x为弹簧的压缩量，P为喷射装置内的液体压力，A为喷头(5)截面积，k为弹簧刚度系数。
5.根据权利要求4所述一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，其特征在于：所述喷头(5)与压电陶瓷致动器(1)固定连接，喷头(5)外径小于壳体(3)壁内径。
6.根据权利要求5所述一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，其特征在于：所述喷头(5)喷孔的孔径范围d2＝0.2～1.6mm。
7.根据权利要求6所述一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，其特征在于：所述喷头(5)喷孔的长径比范围L/d2＝1～3。
8.根据权利要求7所述一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，其特征在于：整流板(6)上的多个通孔孔径d1小于喷头(5)的喷孔孔径d2；所述喷头(5)上的喷孔中心线与喷头(5)中心轴线夹角α＜5°。
9.根据权利要求8所述一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，其特征在于：压电陶瓷致动器(1)采用多层压电陶瓷堆叠的机械封装形式，其身部外壁为直管与波纹管组合式结构。
10.根据权利要求9所述一种用于低粘度液体空间环境液滴生成的喷射装置，其特征在于：所述橡胶密封圈(9)材质选用FLS氟硅橡胶。
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