CN109882476B - 一种二维流体装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维流体装置，属于整流装置领域，这种二维流体装置，包括罩体和整流帽；罩体中间设置有安装空间，整流帽设置于安装空间的中部；罩体与整流帽之间形成整流空间；罩体的径向截面的内侧符合等差变径圆弧，并具有小径层和大径层；整流帽的径向截面的外侧呈圆形，整流帽的外壁的直径沿轴向连续性变化；罩体的轴心与整流帽的轴心重合；罩体的侧部设置有连通安装空间的出口；出口由罩体的小径层和大径层之间的缝隙形成。本发明提供的二维流体装置只经一次整流就将三维形态的流体整流为近似二维形态，尽可能少改变流体的运动方向、速度、压强、运动轨迹等，避免能量损失，从而提高效率，降低综合成本。

Description

一种二维流体装置

技术领域

本发明涉及整流装置领域，具体而言，涉及一种二维流体装置。

背景技术

目前在流体力学应用领域需要一种提高流体运动速度同时减少损耗介质的方法和装置，其目的在于提高效率，减少能耗，减少介质损耗，同时扩大流体的影响范围。二维形态的流体可以达到上述目的，其应用前景广阔。

在一些实际应用情形中，现有方法通常采用强行改变流体运动参数的思路，将其压扁、拉伸、堆聚等，以此实现流体在三维形态和近似二维形态之间的转换。这些方法都不可避免的对流体的运动参数进行改变，如：对运动方向的改变、对运动速度的改变、对压强的改变、对运动轨迹的变动等。而对物质的运动参数和热能参数进行改变需要消耗额外的能量，这就意味着以类似思路发明的方法和装置都不可避免的有能耗高、效率低的缺点。这些装置对力学设计和制造也提出了较高的要求，综合成本高，不经济。

发明内容

本发明提供了一种二维流体装置，旨在解决现有技术中二维流体装置存在的上述问题。

本发明是这样实现的：

一种二维流体装置，包括罩体和整流帽；

所述罩体中间设置有安装空间，所述整流帽设置于所述安装空间的中部；

所述罩体与所述整流帽之间形成整流空间；

所述罩体的径向截面的内侧符合等差变径圆弧，并具有小径层和大径层；

所述整流帽的径向截面的外侧呈圆形，所述整流帽的外壁的直径沿轴向连续性变化；

所述罩体的轴心与所述整流帽的轴心重合；

所述罩体的侧部设置有连通所述安装空间的出口；所述出口由所述罩体的所述小径层和所述大径层之间的缝隙形成。

在本发明的一种实施例中，所述出口具有沿径向的厚度h，所述出口具有与所述罩体轴向平行的长度L，所述罩体具有符合等差变径圆弧的弧段线数n，所述罩体具有顶部开口，所述顶部开口的面积为s，符合其中p为压缩系数取正数。

在本发明的一种实施例中，所述整流帽的径向截面具有面积S’，满足公式所述整流帽具有靠近所述顶部开口的顶端，L’为该径向截面到所述整流帽的所述顶端的距离。

在本发明的一种实施例中，所述顶端与所述顶部开口齐平。

在本发明的一种实施例中，还包括导流片，所述导流片设置在所述出口处，所述导流片一侧与所述小径层固定连接，另一侧与大径层固定连接。

在本发明的一种实施例中，所述导流片与所述导流片所在平面与所述罩体的径向呈锐角夹角。

本发明的有益效果是：本发明提供的二维流体装置只经一次整流就将三维形态的流体整流为近似二维形态，尽可能少改变流体的运动方向、速度、压强、运动轨迹等，避免能量损失，从而提高效率，降低综合成本。也可以反向运用本发明，将二维形态的流体整流为三维形态的流体。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的二维流体装置的第一视角的结构示意图；

图2是本发明实施方式提供的二维流体装置的第二视角的剖视图；

图3是本发明实施方式提供的罩体符合两线等差变径圆弧的二维流体装置的第一视角的结构示意图。

图标：001-二维流体装置；010-罩体；030-整流帽；050-整流空间；011-顶部开口；100-出口；110-导流片；015-大径层；013-小径层；002-离心螺旋流体。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

本实施例提供了一种二维流体装置001，请参阅图1和图2，这种二维流体装置001包括罩体010和整流帽030。

其中罩体010的中间设置有安装空间，整流帽030设置在安装空间的中部，罩体010的轴心与整流帽030的轴心重合，通过整流帽030占据安装空间一定的位置。

通过整流帽030占据安装空间一定的位置，罩体010和整流帽030之间形成整流空间050，整流空间050即为流体运动的空间。罩体010的径向截面的内侧符合等差变径圆弧，即单位角度对应的圆弧的半径变化值相等。在本实施例中，罩体010的径向截面的内侧为一圈等差变径圆弧，具有径向重叠的部分，在径向重叠的部分形成靠近轴心的小径层013和远离轴心的大径层015，小径层013和大径层015之间的缝隙形成罩体010的出口100。在本实施例中，罩体010的整体为柱状，罩体010的一端为设置有顶部开口011，顶部开口011用于流体进入或流出。

整流帽030的径向截面的外侧呈圆形，具体的，整流帽030可以为空心的也可以设置为实心的。整流帽030主要作用在于其外表面与罩体010的内表面之间限制流体的运动。因此只需要对整流帽030的径向截面的外侧进行限定即可。整流帽030的外壁的直径沿轴向连续性变化，即在轴向上，整流帽030的外壁不呈现断崖。

具体的，整流帽030的外壁的直径沿轴向从靠近罩体010的顶部开口011的一端向远离顶部开口011的一端逐渐变大。使得流体从顶部开口011进入之后，整流空间050变得越来越小，而且从靠近罩体010的顶部开口011的一端向远离顶部开口011的一端连续性变小，使得流体逐渐得到挤压整流。

根据流体力学原理，流体受压强变化的影响，其体积发生压缩或膨胀，该体积变化符合力在相邻介质间依次传导的规律，所以流体具有由高压强位置向相邻的低压强位置运动的规律。当外部压强与装置内部存在压强差时，罩体010内部的介质将由高压强位置向低压强位置运动，从而形成流动的流体。

在罩体010内壁附近的介质将自然形成与变径圆弧相似的离心螺旋流体002，中心位置的流体也会被带动成为离心螺旋流体002。而流体在整流空间050进行整流后，形成二维形态的流体顺势从出口100处流出。

在出口100处还设置有导流片110，导流片110一侧与小径层013固定连接，另一侧与大径层015固定连接。导流片110所在平面与罩体010的径向呈锐角夹角，使得导流片110对即将流出出口100的流体进行最后的整流，导流片110靠近整流空间050的一侧直接承受流体的冲击，因此应该尽量顺应大部分流体的螺旋程度设置夹角。导流片110可以起到最终确定流体运动方向的作用，同时起到加固装置的作用。

本实施例中，罩体010呈柱状，在其他实施例中罩体010也可以整体呈子弹头型、圆锥体型或其他形状，但是在任意径向截面应该符合等差变径圆弧，而对罩体010的形状进行变动时只要同样将相应变量对应叠加设计到整流帽030上即可，只要不影响整流空间050径向截面的函数特征，就仍然符合本实施例的原理，即：只要罩体010和整流帽030之间形成的整流空间050可以让流体逐渐排挤形成螺旋运动状态，进而从出口100处流出即可。

在本实施例中，罩体010的径向截面为一圈单线等差变径圆弧，只有一个出口100，出口100的厚度h即为等差变径圆弧的螺距。需要说明的是，由于材料存在实际厚度，因此在实际情况下，实际螺距应该为h加上材料的厚度。在其他实施例中，也可以为多线等差变径圆弧组合而成，如图3，为两线等差变径圆弧组合而成，具有两个出口100。

出口100具有沿径向的厚度h，出口100具有与罩体010轴向平行的长度L，罩体010具有符合等差变径圆弧的弧段线数n，罩体010具有顶部开口011，顶部开口011的面积为s，符合其中p为压缩系数取正数，该系数根据实际需要进行取值：当p值大于1时，可以使得流体得到人为的压缩，当p值小于1时，可以使得流体得到人为的膨胀，这样的设计可以适应某些实际应用情景中流体因装置内外压强差较大或温度变化较大而必然发生膨胀或收缩的情况，根据需要对P进行取值可以尽可能少改变流体的压强，也可以使装置本身具有对流体进行压缩或供流体收缩、膨胀的功能。

整流帽030的径向截面具有面积S’，满足公式整流帽030具有靠近顶部开口011的顶端，L’为该径向截面到整流帽030的顶端的距离。因此整体的整流帽030外表面符合抛物线沿中轴旋转形成的抛物面。

本发明提供的二维流体装置001的整体原理为：

离心螺旋流体002有离心力，该离心力使流体有离心运动的趋势，但这也造成其轴心区域的压强降低，从而抵消了离心运动的趋势。罩体010内壁的等差变径圆弧能形成圆滑的界面，这种等差变径圆弧与离心螺旋流体002的离心运动趋势十分契合。利用横截面积等差圆锥体结构的整流帽030均匀挤占离心螺旋流体002轴心区域的低压强区域，从而平衡压强，避免离心运动趋势被抵消，进而避免能量损失。

因此采用本发明提供的罩体010与整流帽030进行组合，可以较好的将各种形态的流体整流为近似二维形态。同样也可以高效的实现二维流体到三维流体的转换。

本发明根据变径圆弧能达到不同半径圆弧的圆滑连接的特点，设计一种顺应流体运动规律的装置，任何运动形态的流体从入口进入该装置时都会被其变径圆弧罩体010以均匀渐变的内壁结构整流成离心螺旋运动形态，即：离心螺旋流体002。离心螺旋流体002有离心力，使其轴心区域压强降低，而设置在变径圆弧罩体010轴心位置的整流帽030是横截面积等差圆锥体，其会均匀渐变的挤占中心区域的空间，从而平衡压强，避免离心运动趋势被抵消，进而避免能量损失。被整流后的离心螺旋流体002依靠其自身的离心力和运动速度从出口100离开，这时流体被整流为近似二维形态。出口100的导流片110起到进一步整流和最终确定流体运动方向的作用，同时起到加固装置的作用。

本发明提供的二维流体装置001具有两种使用方法：

1、从顶部开口011引入介质，通过整流空间050进行整流将三维运动形态整流为二维运动形态。

其应用领域：如航空领域中对空气的控制利用、空调领域中对空气的控制利用、航海潜水领域中对水流的控制利用，水利水电领域中对水流的控制利用，在科学研究领域中对微观粒子的控制利用，在工业领域中对气体、液体、粒子和其他细小介质的控制利用，涡轮增压器的设计，石墨烯制造，或用于将三维形态的介质整流为近似二维形态，或用于其他领域。

2、从出口100处引入介质，介质沿着整流空间050从顶部开口011流出，将二维运动形态的流体整流为三维运动形态。可用于带动螺旋桨、涡轮、风扇等装置，进而带动能量转换装置将动能加以利用，或用于将近似二维形态的介质进行三维整合。本发明可以大幅度提高水轮机、汽轮机、风力发电机等设备的效率，或用于其他领域。

本发明针对现有技术中强行改变流体运动参数导致效率低下的缺陷，采用顺应流体运动规律的方法，尽量减少对流体运动参数的改变(包括：运动方向、速度、压强、运动轨迹等)，以低能耗实现流体在三维形态和近似二维形态之间的转换，从而大幅度提高效率，提高经济性。

现在一些实际应用情形中，产生流体的方式通常是通过动力装置带动螺旋桨、涡轮、风扇等装置，进而带动介质形成流体，这些流体是螺旋轴向复合运动形态，然后需要将流体整流为纯轴向运动或纯螺旋运动，然后利用第二套装置将流体压缩为二维形态。这个过程对流体的运动方向、速度、压强进行了多次改变，流体的运动轨迹也是不断变动的，其能量损失较大。而采用类似活塞装置产生流体的方法则需要对流体的压强进行大幅度的改变，这种改变不连续且不均匀，流体的压强波动大，能量损失十分惊人。

本发明提供的二维流体装置001只经一次整流就将三维形态的流体整流为近似二维形态，尽可能少改变流体的运动方向、速度、压强、运动轨迹等，避免能量损失，从而提高效率，降低综合成本。也可以反向运用本发明，将二维形态的流体整流为三维形态的流体。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种二维流体装置，其特征在于，包括罩体和整流帽；

所述罩体中间设置有安装空间，所述整流帽设置于所述安装空间的中部；

所述罩体与所述整流帽之间形成整流空间；

所述罩体的径向截面的内侧符合等差变径圆弧，并具有小径层和大径层；

所述整流帽的径向截面的外侧呈圆形，所述整流帽的外壁的直径沿轴向连续性变化；所述罩体的轴心与所述整流帽的轴心重合；

所述罩体的侧部设置有连通所述安装空间的出口；所述出口由所述罩体的所述小径层和所述大径层之间的缝隙形成；

所述出口具有沿径向的厚度h，所述出口具有与所述罩体轴向平行的长度L，所述罩体具有符合等差变径圆弧的弧段线数n，所述罩体具有顶部开口，所述顶部开口的面积为s，符合其中p为压缩系数取正数；

还包括导流片，所述导流片设置在所述出口处，所述导流片一侧与所述小径层固定连接，另一侧与大径层固定连接。

2.根据权利要求1所述的二维流体装置，其特征在于，所述整流帽的径向截面具有面积S’，满足公式所述整流帽具有靠近所述顶部开口的顶端，L’为该径向截面到所述整流帽的所述顶端的距离。

3.根据权利要求2所述的二维流体装置，其特征在于，所述顶端与所述顶部开口齐平。

4.根据权利要求1所述的二维流体装置，其特征在于，所述导流片与所述导流片所在平面与所述罩体的径向呈锐角夹角。