CN108348933A - 喷嘴和混合流体流的方法 - Google Patents
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Abstract
一种喷嘴组件，包括内管和外壳。内管终止于出口端并且限定第一流动通道。第一流动通道在主流动方向将第一流体流引导至出口端。外壳包括管状侧壁和端壁。管状侧壁限定中心轴。端壁限定出口孔和内部引导结构。出口端与出口孔轴向对齐。在内管和外壳之间建立第二流动通道。内部引导结构相对于出口端配置并布置成沿最初与主流动方向相反的方向将至少一部分第二流体流从第二流动通道引导至出口端，以产生混合的流体流。
Description
背景技术
喷嘴，如雾化器喷嘴，有时会用于雾化液体流。雾化的液体流(Atomized liquidflows)(例如，有时也称为雾化液体流(aerosolized liquid flows)，例如喷雾剂)包括散布在气体(例如空气)中的液体的液滴。例如，通过将气体流引导入液体流来产生液滴从而将液体流雾化。在某些示例中，液态燃料可以被雾化以用于燃气轮机燃烧器、锅炉等。在其他示例中，液体，例如油漆或其他涂料，可以被雾化用于喷涂应用，例如油漆涂装。液体农药、除草剂等等可以被雾化，例如用于喷洒。
作为另一示例，内燃机在燃烧之前依靠液态燃料的快速雾化。一般而言，液体喷雾的雾化取决于其流体性质、密度、粘度和表面张力以及由输送装置产生的惯力。常见的与燃气涡轮发动机等一起使用的空气辅助雾化器喷嘴结构(例如，当空气沿着液体流离开喷嘴喷射时)非常适合于石油燃料的快速雾化。然而，空气辅助雾化器喷嘴结构不太能够充分雾化一些替代燃料源，例如生物质基纯净油(生物原油)等等，很大程度上归因于生物原油成分的粘度显著较高(与柴油和其他石油燃料的粘度相比)。例如，豆油在密度和表面张力方面与柴油类似，豆油的粘度是柴油的25倍。由于这种高粘度和低可燃性，直植物油在压缩发动机中引起操作和耐久性问题已显现出来。采用常规空气辅助雾化器喷嘴结构，这种增加的粘度的动态效应会有效减少喷射流离开喷嘴时的雷诺数，从而抑制液体射流破裂并导致雾化水平不足。
美国专利No.8,201,351(Ganan Calvo)描述了一种替代的雾化喷嘴构造，并且其称为分散流(Flow-blurring)雾化。通过在喷嘴的出口区域之内和之外使雾化气流分叉来形成分散流。据信高粘度燃料的分散流雾化是可能的。然而，分散流机制的开始可能取决于喷嘴部件的特定几何关系，并且可能无法提供选择性改变雾化液体性质的能力。
鉴于以上所述，需要能够雾化高粘度液体的喷嘴，例如生物原油以及其他流体混合应用(例如液体-气体混合或系统，气体-气体系统或液体-液体系统)。
发明内容
本发明的一些方面描述了一种喷嘴组件。该组件包括内管和外壳。内管终止于出口端并且限定第一流动通道。第一流动通道通向出口端，用于沿主流动方向将第一流体流引导至出口端。外壳包括管状侧壁和端壁。管状侧壁限定中心轴；在一些实施例中，管状侧壁和内管同轴布置并且共同限定中心轴。端壁限定出口孔和内部第二流体流动引导结构；在一些实施例中，端壁设置了限定出口孔的中央定位开口。内管组装到外壳，使得出口端轴向对齐出口孔(例如，内管的一部分安装在外壳内)。此外，内管的一部分，包括出口端，径向位于管状侧壁内，从而在内管和外壳之间建立第二流动通道。内部引导结构相对于出口端配置并布置成沿最初与主流动方向相反的方向将至少一部分第二流体流从第二流动通道引导至出口端，以产生流体混合流，例如雾化液体流。在一些实施例中，喷嘴组件配置为使得出口端和端壁之间的轴向距离是可调节的。在其他实施例中，内部引导结构包括引导表面和引导柱。引导柱沿内管的方向从引导表面突出，并且限定流体通向出口孔的内腔；根据内腔相对于内管的第一流动通道的空间关系，沿着引导柱将第二流体流朝向内管的出口端引导。
本公开的其他方面描述了一种产生混合流体流的方法，例如雾化液体流。该方法包括沿着内管的第一流动通道沿主流动方向将第一流体流朝向内管的出口端传输。内管包括喷嘴组件，喷嘴组件还包括具有限定出口孔的端壁的外壳。当第一流体流传输通过第一流动通道时，第二流体流传输通过在外壳和内管之间限定的第二流动通道。第一流体和第二流体可以是液体或气体(例如，第一流体流是液体且第二流体流是气体，第一流体流是气体且第二流体流是液体，第一流体流和第二流体流都是气体，或者第一流体流和第二流体流都是液体)。沿最初与主流动方向相反的方向将至少一部分第二流体流从第二流动通道引导朝向第二出口端以生成流体混合物，例如某些非限制性实施例中的雾化液体流(也称为雾化的液体和气体两相流)。流体混合物(例如雾化的液体和气体两相流)通过出口孔分配。在一些实施例中，引导至少一部分第二流体流的步骤包括在第一流体流的外环上建立低密度流动流。在其他实施例中，流体混合物是脉冲雾化的液体流，并且该方法可选地还包括调节脉冲雾化的液体流的频率。
本公开的喷嘴组件和方法适用于雾化不同的液体，并且可用于多种喷涂应用以及很多其他流体混合物场景(例如气体-气体混合物和液体-液体混合物)。特别地，不同于常规雾化器喷嘴结构，本公开的喷嘴组件和方法可以快速雾化高粘度液体，能够有效雾化重质生物燃料并因此允许这些燃料更高效和更清洁的燃烧。
附图说明
图1A是根据本公开的原理的喷嘴组件的简化的、爆炸的、剖视图；
图1B示出了最终组装和雾化液体流时图1A的喷嘴组件；
图2A是与图1A中喷嘴组件一起使用的外壳的侧视图；
图2B是沿着线2B-2B截取的图2A的外壳的剖视图；
图2C是沿着线2C-2C截取的图2A的外壳的剖视图；
图2D是沿着线2D截取的图2B的外壳的一部分的放大的剖视图；
图3A是根据本公开的原理并且包括图2A的外壳的喷嘴组件的简化的、爆炸的、剖视图；
图3B是沿着线3B-3B截取的图3A的喷嘴组件的剖视图；
图4是图3A的喷嘴组件的一部分的放大的剖视图并且示出了在使用时由喷嘴组件生成的流体流的一个示例；
图5A和5B是替代的构造中图3A的喷嘴组件的一部分的放大的剖视图，并且示出了在使用时由喷嘴组件生成的流体流的另一示例；
图6是根据本公开的原理并且包括替代的引导柱的另一喷嘴组件的一部分的放大的简化侧视图；
图7是根据本公开的原理的另一喷嘴组件的部分的放大的、简化剖视图；
图8是根据本公开的原理的另一喷嘴组件的部分的放大的、简化剖视图；以及
图9是由示例部分的示例性喷嘴组件提供的雾化喷雾的液滴尺寸分布的直方图。
具体实施方式
本公开的各方面涉及喷嘴或喷嘴组件以及相关的使用方法，其中在与第二流动方向相反的方向将第一流体流引导至第二流体流，对两个流体流进行混合从而产生混合流体流。在一些非限制实施例中，本公开的喷嘴组件和相关的使用方法需要产生包括散布在气体内的液体的液滴的雾化液体-气体两相流。可选地，本公开的喷嘴组件提供了产生具有选定脉冲频率的脉冲流体流(例如脉冲雾化流)。
图1A示出了根据本公开的原理的喷嘴组件100的一个实施例。喷嘴组件(或“逆流喷嘴”)包括内管102和外壳104。下文描述了各种部件的细节。然而，一般而言，内管102限定出口端106。外壳104限定腔室108和出口孔110。内管102配置为用于安装至外壳104，使得出口端106位于腔室108内并且轴向对齐出口孔110并与出口孔110径向对称。作为参考点，本发明的喷嘴组件的各种特征可以参照由外壳104限定的或者由内管102和外壳104的可选同轴布置限定的中心(或纵向)轴C来描述(例如，如本文所使用的，诸如“轴向”和“径向”的方向术语是相对于中心轴C)。使用时，并且如图1B所示，第一流体流F1(液体或气体)通过内管102(液体或气体)和第二流体流F2输送到腔室108。腔室108内的第二流体流F2至少部分地被引导向出口端106，生成邻近或在内管102内或进入内管102的混合流体流A(例如在一些非限制实施例中，气体流(F1或F2)雾化成液体流(F1或F2))；然后混合流体流A被引导或分配通过出口孔110。如下所述，设置在外壳104的内部引导结构112相对于出口端106配置并布置成，使得至少一部分第二流体流F2在最初与第一流体流F1的主方向相反(可选地完全相反)的方向被引导向(或进入)出口端106。在一些实施例中，喷嘴组件100配置为使得出口端106相对于内部引导结构112的轴向布置可以被选择性地改变以在出口孔110处生成脉冲混合流体流(例如脉冲雾化流)，脉冲混合流体流的脉冲率可选地由用户选择。
返回图1A，内管102可采取适合于与期望的流体(液体(例如生物油燃料)或气体(例如空气))接口的各种形式。内管102可具有通常如附图所示的圆形横截面形状；或者，也可以设想为其他形状(例如正方形、六边形等等)。不管怎样，内管102限定通向出口端106的第一流动通道120，使得第一流体(未示出)通过第一流动通道120从进口端122(大致参考)引导至出口端106。第一流动通道120由内管102的内表面124界定或限定，内表面124与外表面126相对。虽然内管102被视为大体线性，但也可以考虑其他形状；例如，内管102远离或位于外壳104的外部的部分可以包含一个或多个曲部，可以是易弯曲的，等等。
外壳104通常限定相对的第一和第二侧130、132，并且可以以各种形式呈现。在一些实施例中，例如，外壳104可以通过组装两个或更多个单独的部件或部分来完成，例如入口部分134、腔室部分136和端盖138。入口部分134的尺寸和形状被设计为容纳内管102(例如在管引导端口140处)，并且形成或提供流体进入区域或端口142(大致参考)。入口和腔室部分134、136配置为彼此组装(例如通过可选的互补螺纹表面144、146、卡口或其他安装结构)，并且组合以限定如下文将更详细描述的完整腔室108。腔室部分136(或者入口部分134)承载可选的流量分配器150。端盖138配置为用于组装至腔室部分136并形成出口孔110。端盖138(和其中限定的出口孔110)位于第一侧130，并且进一步形成或提供内部引导结构112。
虽然外壳104已经被描述为可选地由多个组装件或部分共同限定，但整体或同类结构同样也可以接受。出于这种考虑，图2A和2B表示最终组装时的外壳104，并且反映了一可选的结构，其中外壳104是整体、同质的主体(即，图1A和1B的出口部分134、腔室部分136和端盖138形成为单一的结构)。不管怎样形成的，外壳104可以被视为具有或提供了管状侧壁160和端壁162。腔室108由管状侧壁160的内表面164界定(例如腔室108具有圆柱形)，并且流体通向流体进入端口142。管引导端口140设置在外壳104的第二侧132处，并且也通向腔室108。管引导端口140通常配置为滑动地接收内管102(图1A)，并且包括促进内管102的固定安装的一个或多个特征，例如可选的螺纹表面166。
当提供可选的流量分配器150时，可选的流量分配器150沿着腔室108的轴向长度居中定位，并且通常需要管状侧壁160的内表面164的径向向内突出或来自管状侧壁160的内表面164的径向向内突出。更具体地，并且如图2C所示，流量分配器150具有环形的形状，在内表面164径向向内的轮毂面168终止。轮毂面168与中心轴C同轴，并且轮毂面168的直径(或其他尺寸)对应于内管102(图1A)的外径，原因如下所述。此外，多个轴向开口170限定在管状侧壁160的径向向内的流量分配器150中。轴向开口170布置成如图所示的圆形图案，并且每个都可选地大体平行于(在真正平行关系的10％范围内)中心轴C延伸。轴向开口170的其他构造也是可接受的，例如涡状布置。在另一实施例中，流量分配器150可以是多孔的塞状结构。另外参考图2B，流量分配器150有效地将腔室108分成第一区域172和第二区域174，如下所述，轴向开口170决定从第一区域172到第二区域174的流体(气体或液体)的受控流动。
返回图2A和2B，端壁162位于第一侧130，并且形成或限定出口孔110。出口孔110通向端壁162的外表面180，并且具有多种形状和尺寸(例如如图所示，出口孔110在外表面180的方向上具有扩大的直径)。在一些实施例中，出口孔110与中心轴C轴向或纵向对齐。
除了出口孔110，端壁162包括、形成、或承载内部引导结构112(大致参考)。图2D中示出了内部引导结构112的一个实施例的更详细的细节，并且该实施例包括引导表面190和引导柱192。引导表面190与外表面180相对，并且从管状侧壁160的内表面164径向向内突出或延伸。在一些实施例中，引导表面190是高度平坦的或平面的(例如，在真正平坦表面的10％范围内)并且限定了一与中心轴C大体上垂直的平面(例如，在真正垂直关系的10％范围内)。引导表面190具有其他构造，其可以是或不是高度平坦的或平面的，例如曲面构造。引导柱192在与第一侧130相反的方向(即，在与端壁162的外表面180相反的方向)从引导表面190突出，在与引导表面190相对的柱端194处终止。引导柱192与出口孔110轴向对齐，并且形成通向出口孔110的内腔196和柱端194。如下文将更详细的描述，引导柱192的外表面198用于引导流体从引导表面190沿期望的方向流动，引导柱192具有从引导表面190延伸至柱端194的锥形外径(例如引导柱192的形状可以类似于圆锥形)。锥形沿外表面198的轴向长度可以是均匀的；在其他实施例中，可以包含不同的锥度和/或部分外表面198在轴向长度上可以是线性的(即平行于中心轴C)。在一些实施例中，外表面198可以是大体上平滑的。或者，可以包含一个或多个影响流动的特征，例如，如下文所述的螺旋(如螺旋形)台阶(如斜坡)。在可选实施例中，引导表面190是弯曲的，引导柱192的外表面198可形成或限定为引导表面190的弯曲形状的连续表面延伸。不管怎样，引导柱192与管状侧壁160径向隔开并且突出进入腔室108。
图3A示出了喷嘴组件100的最终结构。内管102插入管状引导端口140并且设置为使得至少一部分内管102(包括出口端106)位于腔室108内。内管102与中心轴C同轴对齐，其中出口端106轴向对齐引导柱192以及出口孔110。当提供可选的流量分配器150时，可选的流量分配器150的轮毂面168(大致参考)以这种轴向对齐的关系支撑内管102。不管怎样，内管102的外径小于腔室108的直径(至少沿着管状侧壁160的内表面164)，在管状侧壁160的内表面164和内管102的外表面126之间建立第二流动通道或路径200。如图3B进一步所示，由于内管102的整个周长和管状侧壁160的内表面164之间的径向间隔，第二流动通道200具有环形形状。返回图3A，流量分配器150沿着第二流动通道200插入，其中第二流动通道200(相对于流体流预期的方向)从流体进入端口142(图3A中隐藏，但是图2A和2B中示出了)，沿着第一区域172，通过轴向开口170，并进入第二区域174。因此，流量分配器150与内管102结合以在第一区域172处在第二流动通道200中建立增压室(plenum)。流量分配器150可以起到摆正流体流(即，图1B的第二流体流F2)的作用，例如，将其摆正到与第一流动通道120平行的方向，以将第二流体流F2，例如均匀地围绕环形第二流动通道200分布，或者在第二流体流流动通过第二流动通道200时将涡流引入第二流体流等等。
出口端106相对于端壁162的轴向关系通常需要出口端106与引导表面190轴向间隔开来(即，出口端106在第二侧132的方向上轴向偏离于引导表面190)。间隙210建立在出口端106和引导表面190之间。间隙210流体通向第二流动通道200和第一流动通道120并因而与第二流动通道200和第一流动通道120流体连接或耦合。在一些实施例中，引导柱192的外径小于第一流动通道120的直径(即，小于内管102的内径)。因此，在图3A的一个可选的布置中，内管102轴向定位成使得引导柱192的柱端194位于内管102内(即，引导柱192的一部分突出进入第一流动通道120)。换言之，间隙210的轴向长度或高度小于引导柱192的轴向长度或高度。或者，并且如下文更详细的描述，内管102可以定位为使得引导柱192完全位于内管102的外部(即，出口端106在第二侧132的方向与柱端194轴向偏离)。无论如何，在一些实施例中，一旦实现内管102的期望的轴向布置，紧固件(未示出)可以用于相对于外壳104选择性地锁定内管102(即，紧固件被固定至管引导端口140的螺纹表面166)。因此用户可以选择内管102的期望的轴向定位。便于内管102相对于外壳104的选择性布置的其他安装构造同样是可接受的。在其他实施例中，内管102可以永久地附接至外壳104。无论如何，喷嘴组件100包括一个或多个密封构件(未示出)，例如垫圈、O型环等等，以促进内管102的外部和外壳104之间的流体密封。
使用时，第一流体流被引入内管102中，并且使其在出口端106的方向(即，主流动方向)沿着第一流动通道120流动。第二流体流同时在流体进入端口142(图3A中隐藏，但是图2A和2B中示出了)引入，使其沿着第二流动通道200流动。在一些实施例中，第一流体流是液体且第二流体流是气体；在其他实施例中，第一流体流是气体且第二流体流是液体。第二流体流流向间隙210并且至少一部分第二流体流通过出口端106被引入到第一流动通道120(在图4的一个非限制性实施例中，所有的第二流体流F2被引入到第一流动通道120)。更具体地，且如图4所示，沿着第一流动通道120的第一流体流F1在箭头指示的主流动方向流向出口端106。沿着第二流动通道200的第二流体流F2通过间隙210并且至少一部分被引入到出口端106。就这一点而言，引导表面190和引导柱192实现第二流体流F2近似180度的转向，使得至少一部分第二流体流F2在与第一流体流F1的主流动方向相反的方向进入第一流动通道120。内管102内第二流体流F2和第一流体流F1的相反的流动方向产生了相反的流型或逆流混合区域。已知逆流混合会产生特别高的湍流水平。得到的混合流体流A被引导通过出口孔110或从出口孔110分配出去。
在一些实施例中，喷嘴组件100可用于雾化液体，第一流体F1或第二流体流F2的其中一个是液体，且第一流体F1或第二流体流F2的其中另一个是气体。如下文将更详细的描述，本发明的喷嘴组件对液体-液体和气体-气体系统也是非常有益的(即，第一流体F1和第二流体流F2可以都是液体或都是气体)。至于非限制性实施例，其中本公开的喷嘴组件用于雾化液体，逆流混合区域和相应的高湍流水平产生雾化液体所需的切力，特别是雾化高粘度或具有独特性质的流体(例如非牛顿流体)。例如，当第一流体流F1是液体时，在第一流动通道120的外环上形成低密度流动流(图4中的箭头“P1”)并且在第一流动通道120的中心形成相反方向流动的高密度流动流(箭头“P2”)。在其他实施例中，雾化液体是由喷嘴组件100产生的，其中第一流体流F1是气体，第二流体流F2是液体。无论如何，由此产生的速度分布非常不稳定，从而促进湍流和混合。取决于哪种流体流处于高速(例如，当高速流是低密度时，流场是不稳定的)，所增加的密度变化也可能导致不稳定的流场。不稳定的流场转而产生改善的雾化机制，其可以在宽范围的操作条件下扩展。得到的混合流体流A(例如雾化的流体流)被引导通过出口孔110或从出口孔110分配出去。多种不同的喷嘴几何形状可以实现混合的流体流A；本公开的喷嘴组件并不依赖于出口端106和出口孔110之间的距离相对于出口孔110的直径的特定几何关系。
除了将气体-液体系统混合以用于雾化之外，本公开的喷嘴组件对于混合液体-液体和气体-气体系统也是非常有益的。例如，用于制造油漆颜料的亮白色细粉是通过混合四氯化钛气体和水蒸气制成的二氧化钛。本公开的喷嘴组件非常适合完成这种混合过程以形成二氧化钛粉末。其他非限制示例包括不混溶液体(例如，油和水或其他浆液)、两种用于燃烧的气体(例如甲烷和空气)等的快速且有效的混合。
如上所述，在一些实施例中，喷嘴组件100可以配置为使得内管102的出口端106轴向偏离引导柱192。图5A和5B中示出了与该构造相关的流型。再次，沿着第一流动通道120的第一流体流F1沿着由箭头指示的主流动方向并且朝向出口端106流动。沿着第二流动通道200的第二流体流F2通过间隙210并且至少一部分被引导朝向出口端106。就这一点而言，引导表面190和引导柱192实现第二流体流F2近似180度的转向，使得至少一部分第二流体流F2在与第一流体流F1的方向相反的方向被引导朝向出口端106。由于出口端106和柱端194之间的轴向间隔，从而产生了周期性喷雾。图5A和5B对应于脉冲混合的流体流A(例如脉冲雾化流)的循环的不同部分。
在图5A，第二流体流F2周期性地流入并与第一流体流F1接合以根据上文所述产生混合的流体流A(例如，在一个方向上的低密度外环流动流(例如，其中第二流体流F2是气体)和在相反方向上的高密度中心流动流)。在图5B中，第二流体流F2被周期性地向更中心引导(即，轴向对齐内管102)，并且撞击或部分地停滞于第一流体流F1。在图5B的循环状态中，第二流体流F2阻止(或阻挡)第一流体流F1，暂时中止混合的流体流A(图5A)从出口孔110的分配(即，在图5B中，图5A中雾化流A并不存在)。随着出口端106和柱端194之间的间隔或距离增加，混合的流体流或射流A的脉冲频率变得较慢。在一些实施例中，如上所述，本公开的喷嘴组件配置为使得脉冲混合的流体流A的频率可以通过调节内管102相对于外壳104的轴向位置，特别是出口端106相对于柱端194的轴向位置而被用户选择。
引导柱192可以选择性地包含一个或多个配置为影响第二流体流F2的流型的特征。例如，在图6中以简化形式示出了与本公开的喷嘴组件一起使用的替代的引导柱192'。引导柱192'非常类似于前文所述，并且如上所述从引导表面190向柱端194突出。正如前述实施例，引导柱192'限定通向出口孔110的内腔196(图1A)，并且具有用于与第二流体流F2接合的外表面198。此外，引导柱192'包括可选的螺旋(例如螺旋形)台阶(例如斜坡)250。螺旋台阶250从另外的光滑外表面198突出，在引导表面190和柱端194之间延伸的外表面198周围缠绕。螺旋台阶250可以起到向第二流体流F2施加涡流的作用，使得第二流体流F2在其流向第一流体流F1时产生涡流。例如，即，当第二流体流F2流向第一流体流F1时，第二流体流F2围绕中心轴C呈现周向(例如，有角度的)流型。与本公开的这一实施例和其他实施例相关的涡流可以增加切力(并因此在一些非限制实施例中进行雾化)，并且由涡流效应生成的向心加速度可以用于迫使第二流体流F2流向第一流体流F1的中心线(更值得注意的是，当第二流体流F2是气体时，第一流体流F1是液体)。
本公开的喷嘴组件能够实现优越的混合而不需要复杂的驱动、施压或其他输入。在一些实施例中，喷嘴组件的几何形状本质上是灵活的，在广泛的应用范围上提供显著的通用性。例如，图7中以简化形式示出了根据本发明的原理的另一实施例喷嘴组件300的一部分。喷嘴组件300类似于上文中的描述，并且包括内管302和外壳304。内管302限定通向出口端308的第一流动通道306。如图所示，内管302的内表面310在邻近出口端308的位置呈现或形成纵向延伸的弯曲(通常由312指示)。该弯曲实现了靠近出口端308的第一流动通道306的减少的直径D。外壳304形成出口孔320并承载或限定引导柱322。特别是，引导柱322从与上述相同的引导表面324突出，终止于柱端326。引导柱322与出口孔320轴向对齐，并且形成通向出口孔320的内腔328和柱端326。内腔328具有直径d。引导表面324从内表面330向引导柱322弯曲延伸；此外，如图所示，引导柱322的外表面332平滑地延续了引导表面324的弯曲。可以在内管302的出口端308和柱端326之间形成间隙，其间隙高度为h。最后，根据上文所述，在内管302和外壳304之间形成了第二流动通道340。
如上所述的喷嘴组件300的弯曲的或平滑的表面可用于有效地沿着第二流动通道340对流体流(未示出)进行“转向”而不需要任何锐化边角。这些弯曲的表面可以减少压力损耗并允许调整第一和第二流动流(未示出)从而控制逆流混合区域本身。这些特征对用于雾化液体的喷嘴组件300的非限制性应用是有益的。作为参考点，好的雾化过程可能需要在低压降损失和最少的气体输入情况下的高切力；喷嘴组件300的光滑弯曲的表面对这些目的是有利的。弯曲表面的形状不仅仅产生有效的流动转向，而且对于引导部分第一和第二流动流的相互作用也是有益的。就这一点而言，在图7中标出释放角R，并且旨在表示一部分第二流动流的总体方向。释放角R可以变化为正值或负值，以引导部分第二流体流进入或离开第一流动流的中心线从而影响逆流混合区域的形成。
此外，本公开的喷嘴组件的特征可以进行变型从而优化在不同应用中的性能。例如但绝不限于图7中的示例性实施例，d/D的比例可能对一些应用非常重要，例如，以减少用于雾化或混合所需的气体-液体流的比例。而且，间隙高度h也是重要的并且是可以变化的(正值和负值都可以，即，将柱端326放置在内管302的外部或内部)从而适应不同的流体以及当出现周期性变化时对频率的控制。
除了上文所述的变型，本公开的其他喷嘴组件可包括不同形状或构造的出口孔(即，本发明的喷嘴组件并不限于附图指示的均匀或线性形状的出口孔110(图2D)、320(图7))。例如，图8中以简化形式示出了根据本发明的原理的另一实施例喷嘴组件400的一部分。喷嘴组件400类似于上文中的描述的任一喷嘴组件，并且包括内管402和外壳404。内管402可以与内管302(图7)相同，或可以具有任何其他由本公开所涉及的结构(例如，内管402不需要形成弯曲的内表面)。外壳404可以非常类似于外壳304(如上所述)，并且形成出口孔410。引导柱412由外壳404承载或形成为从引导表面414的延伸部分(可选地弯曲)，形成具有直径d的内腔416。出口孔410通向内腔416，并且在出口开口418处通向外壳404的外部。参考图8的实施例，出口孔410的壁表面420在纵向方向呈现弯曲，其中出口孔410的直径从内腔416向出口开口418扩大。在该实施例中，内腔416是线性的因而具有均匀的直径，出口孔410可以被视为具有高度H，作为从内腔416到出口开口418的线性距离。孔壁表面420的曲率确定了出口角E，并且出口孔410在出口开口418处具有直径D出口。考虑到这些描述，孔壁表面420的形状可以根据期望的最终用途应用来定制或构造。孔壁表面420可以是弯曲的，并且可以沿出口开口418的方向扩大，沿出口开口418的方向锥形化或者是完全笔直的。其他参数也可以“调整”，包括出口角R，比例d/D出口，比例D出口/H等。
示例
本公开的目的和优势进一步通过如下非限制性示例来说明。在这些实施例中列举的具体材料和量以及其他条件和细节不应被解释为不适当地限制本公开。
根据本公开的原理的示例性喷嘴是根据图2A-4和相应描述来构造的。引导柱突出进入内管(即，靠近内管的出口端)的距离约1mm。为了评估示例性喷嘴在产生雾化的液体流中的可行性，将加压水源连接到内管并且加压空气源连接到外壳流体入口端(即，液体充当第一流体流F1，并且空气充当第二流体流F2)。运行加压水源和加压空气源以产生12毫升/分钟的水(或液体)流速率，并且空气-水比例(基于质量)为2.5，水压约为60psi，且气压约为60psi。使用X线照相术(Shadowgraphy)测量离开示例雾化器喷嘴的雾化液体流中的液滴尺寸。图9是测量的液滴尺寸的直方图，并且证明示例喷嘴产生可接受的雾化水平。
本公开的喷嘴组件和相应的混合流体流的方法(例如雾化液体流)提供了一种比以前的设计有了明显改进的设计。通过两种流体流的逆流，在喷嘴的流动柱内产生非常不稳定的速度分布，导致快速混合。脉冲的混合流体流也是可选地可用，并且在一些实施例中可以由用户选择或微调。本公开的喷嘴组件和方法可用于多种不同的混合情况(例如，气体-气体系统，液体-液体系统以及液体-气体系统)，包括但不限于，雾化大量不同的液体，以用于实际中任何喷雾应用，并且适当的，例如用于雾化高粘度液体，例如生物原油。作为另一非限制性示例，本发明的喷嘴组件和方法可以结合到内燃机中；喷嘴组件可以改善生物原油的燃烧，使生物原油可以用作内燃机的混入(drop-in)原料。这种可选的应用可能非常重要，因为其降低了生物燃料燃烧的整体能耗和成本。而且，发动机的耐用性和燃油经济性也得到了改善。可用于本公开的喷嘴组件和方法的液体的其他非限制性实例包括常规燃料、油漆、杀虫剂、除草剂等。
尽管已经参照优选实施例描述了本公开，但本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。
Claims (22)
1.一种喷嘴组件，包括：
内管，其终止于出口端并限定通向出口端的第一流动通道，用于沿主流动方向将第一流体流引导至出口端；以及
外壳，其包括管状侧壁和端壁，其中管状侧壁限定中心轴，并且进一步地，其中端壁限定出口孔和内部引导结构；
其中内管被组装到外壳，使得出口端与出口孔轴向对齐，并使得包括出口端的内管的一部分径向地位于管状侧壁内以在内管和外壳之间建立第二流动通道；
并且进一步地，其中内部引导结构相对于出口端配置并布置成沿与主流动方向相反的方向将至少一部分第二流体流从第二流动通道引导向出口端以混合第一流体流和第二流体流。
2.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其中所述喷嘴组件配置为使得出口端和端壁之间的轴向距离是可调节的。
3.根据权利要求1或2所述的喷嘴组件，其中所述外壳限定相对的第一和第二侧，端壁位于第一侧，并且进一步地，其中：
端壁包括引导表面和引导柱；
引导表面从管状侧壁径向向内延伸；并且
引导柱与管状侧壁径向隔开并沿第二端的方向从引导表面突出。
4.根据权利要求3所述的喷嘴组件，其中所述引导柱形成内腔，所述内腔流体通向出口孔以将流体流从出口端引导至出口孔。
5.根据权利要求3或4所述的喷嘴组件，其中所述引导柱终止于与引导表面相对的柱端，并且进一步地，其中出口端和引导表面之间的轴向距离大于出口端和柱端之间的轴向距离。
6.根据权利要求5的所述的喷嘴组件，其中所述喷嘴组件配置为能够在第一状态和第二状态之间转换，所述第一状态包括位于轴向越过出口端的柱端，且所述第二状态包括位于第一流动通道内的柱端。
7.根据权利要求3-6任一项所述的喷嘴组件，其中在出口端和引导表面之间限定一间隙，并且进一步地，其中所述间隙在出口端处流体通向第一流动通道和第二流动通道，从而允许流体流从第二流动通道流至第一流动通道。
8.根据权利要求7所述的喷嘴组件，其中所述引导柱是圆锥环形主体，其具有比内管的内径小的外径。
9.根据权利要求6-8任一项所述的喷嘴组件，其中内管和外壳都能够选择性地相对于彼此移动以改变间隙的轴向长度。
10.根据权利要求3-9任一项所述的喷嘴组件，其中沿着引导柱的外表面形成螺旋台阶，用于将涡流施加到沿着外表面流动的流体流中。
11.一种喷嘴组件，包括：
内管，其终止于出口端并限定通向出口端的第一流动通道；以及
外壳，其限定相对的第一端和第二端，所述外壳包括管状侧壁和端壁，其中管状侧壁限定腔室和中心轴，并且进一步地，其中端壁位于第一侧，限定出口孔，并包括：
引导表面，其从管状侧壁径向向内延伸，
引导柱，其沿第二端的方向从引导表面突出并终止于与引导表面相对的柱表面，引导柱与管状侧壁径向地隔开并限定通向出口孔的内腔；
其中内管组装到外壳，使得出口端与出口孔轴向对齐，并使得包括出口端的一部分内管径向地位于腔室内；
并且进一步地，其中出口端和引导表面之间的轴向距离大于出口端和柱表面之间的轴向距离。
12.一种混合第一流体流和第二流体流的方法，所述方法包括：
沿设置有喷嘴组件的内管的第一流动通道沿主流动方向朝向内管的出口端传输第一流体流，喷嘴组件还包括外壳，其具有限定出口孔的端壁；
当将第一流体流传输通过第一流动通道时，将第二流体流传输通过限定在外壳和内管之间的第二流动通道；
沿与主流动方向相反的方向从第二流动通道朝向出口端引导至少一部分第二流体流，从而产生混合的流体流；
将混合的流体流分配通过出口孔。
13.根据权利要求12所述的方法，其中第一流体流是液体流，第二流体流是气体流，并且混合的流体流是雾化的液体流。
14.根据权利要求12所述的方法，其中第一流体流是气体流，第二流体流是液体流，并且混合的流体流是雾化的液体流。
15.根据权利要求12所述的方法，其中第一流体流和第二流体流分别为液体流。
16.根据权利要求12所述的方法，其中第一流体流和第二流体流分别为气体流。
17.根据权利要求12-16任一项所述的方法，其中引导的步骤包括同时在邻近出口端的第一流动通道内建立第一流动流和第二流动流，第一流动流沿着第一流动通道的外环呈现且第二流动流沿着第一流动通道的轴向中心呈现，且进一步地，其中第一流动流处于与第二流动流的方向相反的方向。
18.根据权利要求17所述的方法，其中第一流动流的密度小于第二流动流的密度。
19.根据权利要求17所述的方法，其中引导的步骤包括在第一流体流的外环处生成低密度流动流。
20.根据权利要求12-19任一项所述的方法，其中所述混合的流体流是脉冲混合的流体流。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：
调节脉冲混合的流体流的频率。
22.根据权利要求21所述的方法，其中外壳还包括管状侧壁，并且进一步地，其中端壁包括从管状侧壁径向向内延伸的引导表面和从引导表面突出的引导柱，用于将至少一部分第二流体流引导至出口端，更进一步地，其中调节步骤包括改变出口端和引导表面之间的轴向距离。
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