CN108916127A - 一种强剪切人工淹没式空化射流发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种强剪切人工淹没式空化射流发生器，圆筒形套管的中间段内孔中同轴套有一个喷嘴，喷嘴的下端入口同轴固定连接入流管一，圆筒形套管的上段内孔中同轴心地固定镶嵌一个入流腔，入流腔的中心是连通圆筒形套管的内孔的出射孔，入流腔还连接入流管二，喷嘴由从下至上的直管、收缩管、喉管、扩张管依次串接组成，锥形室正上方的圆筒形套管内孔是剪切室，剪切室正上方的圆筒形套管内孔是导流室，导流室与出射孔相连通；一部分工作流体加压后形成高压流体通过入流管一进入喷嘴，另一部分工作流体控制流体压力后通过入流管二，由入流腔经导流室导流后进入剪切室。本发明剪切层更大，速度差更大，剪切作用更强，空化溃灭后释放的能量更高。

Description

一种强剪切人工淹没式空化射流发生器

技术领域

本发明涉及液体空化射流技术，具体是一种淹没式空化射流装置，应用于有机污水处理、杀菌消毒、清洗除锈、表面强化以及材料剥蚀加工等领域。

背景技术

在液体流动过程中，往往会出现某处压力突降而使液体中的气体溢出或液体汽化，这种现象称为空化现象。空化射流是一种新型高效射流，当空泡群随液体射流冲击物体表面时，因工件阻滞产生的滞止压力促使空泡群溃灭，并形成强烈冲击，能达到满意的清洗、强化及材料剥蚀效果。研究表明，在一定条件下空化射流中的空泡群不仅可以传递能量，而且高度聚能，可以将原来均布于流场中的能量瞬时集中于空泡附近很小的区域内，冲击压力为连续射流压力的8.6-124倍。

淹没式空化射流是一种典型、高效的空化射流，但由于淹没型空化射流存在靶距范围小，且必须浸没在液体环境中等缺陷，严重限制了它的使用范围。中国专利公开号为CN103244468A、名称为“引射式射流空化发生器及空化细胞破碎装置”的文献中公开的装置，通过高压液体卷吸低压液体，在吸入室尾端及喉管中诱发空化现象，利用空泡溃灭产生的微射流及冲击波来破碎细胞。该装置通过同轴重叠喷嘴结构，使内喷嘴高压液体与外喷嘴低压液体之间构成同向剪切射流，但由于同向剪切产生的空化气泡相对较少，因此空化效果不佳。中国专利公开号为CN106517412A、名称为“一种强剪切式中心射流空化发生器”的文献中公开的射流空化发生器，利用回水腔喉管与挡板作用形成的回流，在喷嘴出口至喉管入口之间与中心高速射流形成反向剪切作用，进而形成强剪切空化。但该发生器产生的空化气泡大多在喷嘴外壁面与回水腔锥形段之间溃灭，即空泡在空化发生器内部发生了溃灭，难以充分利用溃灭的空泡对工件进行加工处理。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的高低压液体同向剪切强度不足以及高低压液体反向剪切空化气泡难以充分利用等问题，本发明提供一种剪切效果好，并能大幅度提高空化效果的强剪切人工淹没式空化射流发生器。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种强剪切人工淹没式空化射流发生器采用的技术方案是：包括一个圆筒形套管，圆筒形套管的中间段内孔中同轴套有一个喷嘴，喷嘴的下端入口同轴固定连接入流管一，喷嘴的外径小于圆筒形套管中间段内孔的内径，喷嘴外壁与圆筒形套管中间段内孔壁之间形成出流室；圆筒形套管中间段连接出流管，出流管与出流室相连通；圆筒形套管的上段内孔中同轴心地固定镶嵌一个入流腔，入流腔的中心是连通圆筒形套管的内孔的出射孔，入流腔还连接入流管二，入流管二上方连通外部、下方连通圆筒形套管的内孔；喷嘴由从下至上的直管、收缩管、喉管、扩张管依次串接组成，收缩管的内孔是下大上小的锥孔，喉管的内孔是圆柱孔，扩张管的内孔是下小上大的锥孔；在收缩管、喉管和扩张管外部的出流室呈上小下大的锥形室，锥形室正上方的圆筒形套管内孔是剪切室，剪切室是圆柱孔，剪切室正上方的圆筒形套管内孔是导流室，导流室是上大下小的圆锥孔，导流室与出射孔相连通。

进一步地，一部分工作流体经增压泵加压后形成高压流体通过入流管一向上运动进入喷嘴，另一部分工作流体经压力控制阀控制流体压力后通过入流管二向下运动，由入流腔经导流室导流后进入剪切室。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

（1）喷嘴的收缩管使工作流体的压能向动能转变，流体速度在喷嘴喉管处达到最大值。当工作流体进入喷嘴喉管后，流体压力迅速下降，产生低压甚至负压，促使空化发生。喷嘴的扩张管能够保证更大范围的低压区，有利于空化核的生长、发育。在剪切段当中，喷嘴喷出的高速射流与反向低速射流之间形成强剪切，从而导致空化强度进一步加剧，产生剧烈空化。

（2）通过粗、细螺纹副的调节作用，使喷嘴出口与剪切段之间保持适当距离，确保喷嘴喷出的高速射流与反向低速射流充分接触，产生强剪切作用，增强空化效果。

（3）常规淹没型空化射流存在有效靶距范围小，且必须浸没在液体环境中等缺陷，严重限制了它的使用范围，本发明人工淹没式空化射流不仅促进了空化射流的发展，更有效地扩大了靶距范围，有利于扩展其应用场所。

（4）与同类型剪切空化发生器相比，本发明剪切层更大，速度差更大，剪切作用更强，空化溃灭后释放的能量更高，对工件加工时能够达到更满意的效果。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明一种强剪切人工淹没式空化射流发生器的立体结构图；

图2为图1主视结构剖视放大图；

图3为图2中1-1局部结构放大图；

图4为图2中入流腔结构放大图；

图5为图4的仰视图；

图中：1.入流管一，2.喷嘴，3.螺套，4.圆筒形套管，5.出流管，6.入流腔，7.O型密封垫，8.入流管二，9.出流室，10.导流室，11.剪切室，12.锥形室，13.直管，14.收缩管，15.喉管，16.扩张管，17. 阵列通孔，18.出射孔，19.喷嘴出口，20.空化射流。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明最下方是入流管一1，入流管一1的上段外壁上加工有细牙螺纹，与螺套3下段内孔壁上加工的细牙螺纹相连接，使入流管一1固定连接在螺套3的正下方。螺套3上段外壁上加工有粗牙螺纹，圆筒形套管4下段内孔壁上加工粗牙螺纹，螺套3上段外壁与圆筒形套管4下段内孔壁通过粗牙螺纹相连接，使螺套3固定连接在圆筒形套管4的正下方。入流管一1、螺套3和圆筒形套管4的中心轴共线且均上下垂直布置。

在圆筒形套管4的中间段内孔同轴套有一个喷嘴2，喷嘴2内孔与入流管一1相通，喷嘴2的下端是入口，下端入口固定连接入流管一1的上端出口。喷嘴2的外径小于圆筒形套管4中间段内孔的内径，这样，在喷嘴2外壁与圆筒形套管4中间段内孔壁之间形成出流室9。

圆筒形套管4中间段上连接且连通水平布置的出流管5，出流管5的中心轴与圆筒形套管4的中心轴相垂直，出流管5相于对圆筒形套管4的中心轴对称布置。出流管5的外端连通外部，内端与出流室9相连通。

在圆筒形套管4的上段内孔中同轴心地固定镶嵌一个入流腔6，两者之间过盈配合，圆筒形套管4与入流腔6之间用O型密封垫7进行密封。入流腔6为圆筒形，其中心通孔是出射孔18，出射孔18上方连通外部，下方连通圆筒形套管4的内孔。入流腔6还连接两个上下垂直的入流管二8，两个入流管二8相对于出射孔18的中心对称布置，入流管二8的中心轴与出射孔18的中心轴相平行，入流管二8上方连通外部，下方连通圆筒形套管4的内孔，入流管二8与出射孔18之间不相通。

喷嘴2可选择多种类型，如角型喷嘴、收缩型喷嘴、风琴管喷嘴等，根据工件不同的加工要求可以更换不同喷嘴。为了方便描述，此处选择角型喷嘴。

参见图2和图3，喷嘴2由从下至上的直管13、收缩管14、喉管15、扩张管16依次串接组成。其中，收缩管14、喉管15、扩张管16的外形呈锥形。扩张管16的上端出口即是喷嘴出口19。收缩管14的内孔是下大上小的锥孔，该锥孔的锥角a即收缩角a，a=15°。喉管15的内孔是圆柱孔，圆柱孔的直径d=1mm。扩张管16的内孔是下小上大的锥孔，扩张管16的锥孔的锥角θ即扩张角θ，θ=30°。扩张管16的上下垂直高度L与喉管15的内孔直径d之间的比值在2-4范围内，即L/d=2-4。

在收缩管14、喉管15和扩张管16外部的出流室9呈上小下大的锥形，即锥形室12。锥形室12正上方的圆筒形套管4内孔是剪切室11，剪切室11是圆柱孔，剪切室11正上方的圆筒形套管4内孔是导流室10，导流室10是上大下小的圆锥孔，导流室10与图2中的出射孔18相连通。

锥形室12的收缩角β=60°，剪切室11的高度H与其直径E之间的比值在1-2范围内，即H/E=1-2。喷嘴出口19位于锥形室12内，且剪切室11的直径E与喷嘴出口19的管径D之间的比值在1.2-1.5范围内，即E/D=1.2-1.5。

螺套3与圆筒形套管4采用粗牙螺纹副连接，主要负责粗调喷嘴2在出流室9内部的上下位置及快速更换喷嘴2。入流管一1与螺套3采用细牙螺纹副连接，主要负责微调喷嘴出口19与剪切室11之间的上下垂直距离B。

参见图2、图4和图5所示，入流腔6为圆筒形薄壁通孔管结构，其顶部与入流管二8固定连接并相通，中心为出射孔18，底部由内而外开有2-3层阵列通孔17，入流管二8通过阵列通孔17连通圆筒形套管4的内孔，入流管二8的内径M与阵列通孔17的最大孔径N之间的比值在5-10范围内，即M/N=5-10。此外阵列通孔17的总面积占入流腔6底部总面积的30%-50%，阵列通孔17的形状为圆形、三角形、椭圆形、方形或菱形等，不影响效果。

参见图1-4，本发明工作时，通过调整螺套3与圆筒形套管4之间粗牙螺纹副以及入流管一1与螺套3之间细牙螺纹副，使喷嘴出口19与剪切段11的间距B与剪切段11的直径E之间的比值在0.3-0.5范围内，即B/E=0.3-0.5。

一部分工作流体经增压泵加压后形成高压流体（压力为25-30MPa）通过入流管一1向上运动进入喷嘴2，高压流体经收缩管14时随着流道截面的减小，促使工作流体的压能向动能转变，流体速度在喉管15得以急剧增加并达到最大值。当工作流体进入喉管15后，流体压力迅速下降，产生低压甚至负压，促使空化首先发生在喉管15处。当工作流体从喉管15进入扩张管16时，因为扩张管16的存在能够保证更大范围的低压区，这样空化核能够获得更充分的生长、发育空间。最后工作流体在喷嘴出口19以高速射流喷出，进入剪切室11。另一部分工作流体经压力控制阀控制流体压力（压力为0.2-0.5 MPa）后通过入流管二8向下运动，进入到入流腔6，入流腔6内部的工作流体从腔体底部的阵列通孔17中低速流出并经导流室10导流后进入剪切室11。

当喷嘴2喷出的高速射流与入流腔6流出的反向低速射流在剪切室11内相遇时，高速射流与反向低速射流之间构成强烈剪切，随着速度差的增大，剪切作用增强。由于剪切层内高强度涡结构，特别是剪切层中出现涡量聚集的湍流相干结构，以及湍流压力脉动,使流场局部最小压力远低于饱和蒸汽压，从而导致空化强度进一步加剧，并产生大量空泡。其中绝大部分空泡被喷嘴2喷出的高速射流带走并通过出射孔18喷出，当空化射流20与工件相接触时，因工件阻滞产生的滞止压力促使空化射流20中的空泡群发生溃灭，形成冲击波和微射流，同时产生高温高压，从而可以对工件进行清洗、强化及材料剥蚀。另外一小部分空泡随低速射流进入出流室9，出流室9内压力相对较高，促使空泡发生溃灭。

Claims (10)

1.一种强剪切人工淹没式空化射流发生器，包括一个圆筒形套管（4），圆筒形套管（4）的中间段内孔中同轴套有一个喷嘴（2），其特征是：喷嘴（2）的下端入口同轴固定连接入流管一（1），喷嘴（2）的外径小于圆筒形套管（4）中间段内孔的内径，喷嘴（2）外壁与圆筒形套管（4）中间段内孔壁之间形成出流室（9）；圆筒形套管（4）中间段连接出流管（5），出流管（5）与出流室（9）相连通；圆筒形套管（4）的上段内孔中同轴心地固定镶嵌一个入流腔（6），入流腔（6）的中心是连通圆筒形套管（4）的内孔的出射孔（18），入流腔（6）还连接入流管二（8），入流管二（8）上方连通外部、下方连通圆筒形套管（4）的内孔；喷嘴（2）由从下至上的直管（13）、收缩管（14）、喉管（15）、扩张管（16）依次串接组成，收缩管（14）的内孔是下大上小的锥孔，喉管（15）的内孔是圆柱孔，扩张管（16）的内孔是下小上大的锥孔；在收缩管（14）、喉管（15）和扩张管（16）外部的出流室（9）呈上小下大的锥形室（12），锥形室（12）正上方的圆筒形套管（4）内孔是剪切室（11），剪切室（11）是圆柱孔，剪切室（11）正上方的圆筒形套管（4）内孔是导流室（10），导流室（10）是上大下小的圆锥孔，导流室（10）与出射孔（18）相连通。

2.根据权利要求1所述的一种强剪切人工淹没式空化射流发生器，其特征是：一部分工作流体经增压泵加压后形成高压流体通过入流管一（1）向上运动进入喷嘴（2），另一部分工作流体经压力控制阀控制流体压力后通过入流管二（8）向下运动，由入流腔（6）经导流室（10）导流后进入剪切室（11）。

3.根据权利要求1所述的一种强剪切人工淹没式空化射流发生器，其特征是：入流管一（1）的上段外壁与螺套（3）下段内孔壁通过螺纹相连接，圆筒形套管（4）下段内孔壁与螺套（3）上段外壁通过螺纹相连接。

4.根据权利要求1所述的一种强剪切人工淹没式空化射流发生器，其特征是：出流管（5）的中心轴与圆筒形套管（4）的中心轴相垂直，且相于对圆筒形套管（4）的中心轴对称布置。

5.根据权利要求1所述的一种强剪切人工淹没式空化射流发生器，其特征是：入流腔（6）连接相对于出射孔（18）的中心对称布置的两个上下垂直的入流管二（8）。

6.根据权利要求1所述的一种强剪切人工淹没式空化射流发生器，其特征是：收缩管（14）的锥孔的锥角是15°，喉管（15）的圆柱孔直径d=1mm，扩张管（16）的锥孔的锥角是30°，扩张管（16）的上下垂直高度L与所述直径d之间的比值在2-4范围。

7.根据权利要求1所述的一种强剪切人工淹没式空化射流发生器，其特征是：锥形室（12）的收缩角β=60°，剪切室（11）的上下垂直高度H与其直径E之间的比值在1-2范围，扩张管（16）的上端出口即是喷嘴出口（19），剪切室（11）的直径E与喷嘴出口（19）的管径D之间的比值在1.2-1.5范围，喷嘴出口（19）和剪切段（11）之间的间距B与直径E的比值在0.3-0.5范围。

8.根据权利要求1所述的一种强剪切人工淹没式空化射流发生器，其特征是：入流腔（6）的底部由内而外开有2-3层阵列通孔（17），阵列通孔（17）的总面积占入流腔（6）底部总面积的30%-50%。

9.根据权利要求8所述的一种强剪切人工淹没式空化射流发生器，其特征是：入流管二（8）的内径与阵列通孔（17）的最大孔径之间的比值在5-10范围内。

10.根据权利要求2所述的一种强剪切人工淹没式空化射流发生器，其特征是：一部分工作流体经增压泵加压后形成压力为25-30MPa的流体，另一部分工作流体经压力控制阀控制流体压力为0.2-0.5 MPa。