CN107366661B - 一种采用弹簧系统的脉动气流发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脉动气流发生装置，具体为一种采用弹簧系统的脉动气流发生装置，它是由两个外部套筒、一段入口管道和收缩管道、弹簧及支架系统和活塞组成，入口管道和收缩管道之间可以无摩擦相对滑动，气流首先进入入口管道，接着进入收缩管道，气流的动量改变从而对收缩段施加一恒定作用力，带动与收缩管道连接的活塞运动，最后通过活塞中心的通道流出进入右套筒腔，并在活塞的作用下被压缩和扩张，气流周期压缩或者扩张产生脉动气流，本发明主要优点在于：1）流体自激励，能耗小；2）结构简单，调节方便，投资少，运行安全性持久；3）脉动流参数可调节。

Description

一种采用弹簧系统的脉动气流发生装置
技术领域
本发明涉及一种脉动气流发生装置，具体为一种采用弹簧系统的脉动气流发生装置，该装置可以用于产生作为冷却介质的脉动气流。
背景技术
发展高效的冷却技术是目前机械、能源动力以及电子行业的迫切需要。脉动流传热是典型的瞬态非线性传热中比较常见的一种方式，由于脉动流动比稳态流动的流动特征更加复杂，从而带来更加复杂的传热传质特性，是一项能显著强化对流输运作用、提升传热效果的高效节能手段，可以实现高效的散热和传热功能，解决重要领域的热障瓶颈以及大大降低能源的消耗。另外流体的脉动能破坏边界层的发展，引起壁面剪切应力的变化，抑制污垢的形成，从而有效降低热阻，进一步达到强化传热的目的。因此脉动传热具有广泛的应用背景和巨大的开发潜力。能够产生频率和幅值精确可调的脉动气流是研究和应用脉动流动冷却技术的前提。
能够产生脉动流动介质的方式有多种，最常见的脉动发生器是活塞式脉动发生器，它的原理是将流体通道和装有活塞的套筒构成闭合回路，利用往复机构与电机连接，实现活塞的周期运动，对整个流道内流体构成脉动激励。隔膜泵也是使用较多的脉动发生器，但是更适用于液体。另外还有近些年新研究出的自激励振荡腔(亦称为 Helmholz腔)、脉动燃烧器和声波机理的气体脉动发生器等等。已有的脉动流发生装置大多针对液体脉动流的产生，而对于气体脉动流的发生装置较少。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种脉动气流发生装置，可以产生使用者所要求的按正弦规律周期性变化的脉动气流，并实现对脉动平均流速、脉动频率和脉动幅值三个参量的调节。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种采用弹簧系统的脉动气流发生装置，包括进气套筒和出气套筒，进气套筒和出气套筒由法兰连接，稳定的气流从进气套筒入口进入，出气套筒出口流出脉动气流；进气套筒内部含有一个入口管道、一个收缩管道、弹簧、弹簧支架和活塞，其中入口管道设置在进气套筒的入口处，入口管道的上端管口和进气套筒的入口重合，弹簧支架固定在进气套筒的内侧壁面上，弹簧的一端固定在弹簧支架上，另一端与活塞连接，活塞上开有通孔，收缩管道固定在活塞上且下端的收缩管口和通孔连通，入口管道的下端管体从收缩管道上端的管口伸入。
入口管道与收缩管道之间可无摩擦相对滑动，从而改变了整个通道的长度，入口的气流对收缩管道的激励为一恒定激励。气流通过收缩管道时，对收缩管道的作用力大小随进出口动量变化而变化，因此增加收缩比，即减小收缩管道的出口面积，使得出口速度增加，进出口动量差增加，气流对收缩管道的作用力增大，而减小收缩比则反之，因此当改变收缩管道的收缩比，气流对收缩管道的作用力大小随之改变，产生的脉动气流的压强幅值也相应改变。
收缩管道与活塞相连，活塞与弹簧组成了一弹簧质量系统，因此气流对收缩管道的作用力通过活塞传递到了弹簧上，当处于零初始条件的弹簧质量系统受到气流的恒定激振力时，可以将激振力看做一系列等值脉冲力的叠加，由于系统对脉冲激励的响应为：
其中：m为系统质量，ωd为弹簧质量系统的固有频率，ω0为相应的无阻尼系统的固有频率，无量纲的ζ称为相对阻尼系数。由线性系统的叠加原理，系统对任意激振力的响应则等于系统在时间区间 0≤τ≤t内各个脉冲响应的总和，即
忽略弹簧系统的阻尼，即该弹簧质量系统可近似视为无阻尼系统，其对持续的恒定力F(t)＝F0的响应为：
即该弹簧活塞系统在恒定气流的恒定作用力激励下，做正弦曲线的简谐运动，收缩管道流出后经过活塞上的通孔进入缸筒中。做正弦简谐运动的活塞推动缸筒内气流压强的周期性变化，从而产生了脉动气流。
本发明主要优点在于：1)流体自激励，能耗小；2)结构简单，调节方便，投资少，运行安全性持久；3)脉动气流参数可调节。
附图说明
图1为本发明的脉动气流发生装置的外部结构示意图。
图2为套筒内部结构示意图。
图中：1-进气套筒，2-出气套筒，3-入口管道，4-收缩管道，5- 弹簧，6-法兰，7-活塞，8-弹簧支架。
具体实施方式
一种采用弹簧系统的脉动气流发生装置，包括进气套筒1和出气套筒2，进气套筒1和出气套筒2由法兰6连接，稳定的气流从进气套筒1入口进入，出气套筒2出口流出脉动气流；进气套筒1中包含有入口管道3、收缩管道4、弹簧5、弹簧支架8和活塞7，其中入口管道3设置在进气套筒1的入口处，入口管道3的上端管口和进气套筒1的入口重合，弹簧支架8固定在进气套筒1的内侧壁面上，弹簧 5一端固定在弹簧支架8上，另一端与活塞7连接，活塞7上开有通孔，收缩管道4的下端收缩管口出口与活塞7通孔相连通，入口管道 3的下端从收缩管道4上端的管口伸入,入口管道3与收缩管道4之间可无摩擦相对滑动，从而改变了整个通道的长度，入口的气流对收缩管道4的激励为一恒定激励,气流通过收缩管道4时，对收缩管道 4的作用力大小随进出口动量变化而变化，改变收缩管道4的收缩比，气流对收缩管道的作用力大小随之改变，产生的脉动气流的脉动幅值也相应改变，活塞7与弹簧5组成了一弹簧质量系统，气流对收缩管道的作用力作用在了弹簧5上，弹簧5与支架之间的连接可以断开或者连接，使得组成的弹簧活塞系统的弹簧数量可选，从而改变弹簧质量系统的固有频率，也就改变了脉动气流的频率。气流从收缩管道流出后经过活塞上的通孔进入出气套筒2中，利用弹簧质量系统在恒定激励作用下的简谐运动推动出气套筒2内气流的压强的周期性变化，从而产生了脉动气流。

Claims (1)

1.一种采用弹簧系统的脉动气流发生装置，其特征在于包括进气套筒（1）和出气套筒（2），进气套筒（1）和出气套筒（2）由法兰（6）连接，稳定的气流从进气套筒（1）入口进入，出气套筒（2）出口流出脉动气流；进气套筒（1）包括入口管道（3）、收缩管道（4）、弹簧（5）、弹簧支架（8）和活塞（7），其中入口管道（3）设置在进气套筒（1）的入口处，入口管道（3）的上端管口和进气套筒（1）的入口重合，弹簧支架（8）设置在进气套筒（1）的内壁上，弹簧（5）一端固定在弹簧支架（8）上，另一端与活塞（7）连接，活塞（7）上开有通孔，收缩管道（4）固定在活塞（7）上且下端的收缩管口和通孔连通，入口管道（3）的下端管体从收缩管道（4）上端的管口伸入,入口管道（3）与收缩管道（4）之间可无摩擦相对滑动，从而改变了整个通道的长度，改变收缩管道（4）的收缩比，气流对收缩管道的作用力大小随之改变，产生的脉动气流的脉动幅值也相应改变，活塞（7）与弹簧（5）组成了一弹簧质量系统，气流对收缩管道的作用力作用在了弹簧（5）上，改变弹簧质量系统的弹簧数量，从而改变弹簧质量系统的固有频率，也就改变了脉动气流的频率，气流从收缩管道流出后经过活塞上的通孔进入出气套筒（2）中，利用弹簧质量系统在恒定激励作用下的简谐运动推动出气套筒（2）内气流的压强的周期性变化，从而产生了脉动气流。
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