CN110107543B - 射流式波瓣喷嘴及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种射流式波瓣喷嘴及方法，属于流体力学技术领域。该喷嘴主要由矩形转圆形风道、圆形转波瓣型风道及内部导流装置三部分构成。其与常规喷嘴结构的不同之处在于射流式波瓣喷嘴工作过程为离心风机吹出风后，经由矩形转圆形风道，使气流稳定聚集、更加集中，避免气流逆压力梯度流动，降低流动阻力，减少出口流动损失；喷嘴出口部分为圆形转波瓣形风道，由于截面积渐缩，再加之由于内置导流装置原因使得气流速度增加，静压降低，可以在波瓣截面段引射一部分外壁面的静止的气体，从而在相同工作条件下增大风机流量。
Description
技术领域
本发明涉及一种射流式波瓣喷嘴及方法，属于流体力学技术领域。
背景技术
在水利、航空、能源、石油化工等行业，喷嘴的应用无处不在，例如在航空业中发动机热端部件高效冷却和进气道进口部件热气防冰结构设计要利用射流冲击来加大局部换热的强度，强化换热效果；在水利行业常利用射流喷嘴进行海底挖沟作业，射流的冲蚀能力及冲击域大小直接影响挖沟效果和经济效益。射流的卷吸、掺混效应在工程中应用十分广泛，比如脉冲袋式除尘器的反吹清灰过程，射流燃烧器内燃料的供应与混合，污水排海、排江后的输移扩散等。
常见的喷嘴包括圆形、椭圆形、正方形、十字形、三角形等其他形状的射流喷嘴，但其喷射能力与卷吸、掺混强度均不理想，为了解决喷射能力弱与卷吸效果不理想的问题，本发明提出一种射流式波瓣喷嘴，增强喷射能力、提高喷嘴卷吸与掺混强度。
发明内容
本发明的目的在于为了克服上述现有技术的不足，设计一种增强喷射能力、提高喷嘴卷吸与掺混强度、可组织气流合理流动以及稳定核心速度分布的波瓣喷嘴及方法。
一种射流式波瓣喷嘴，其特征在于：该射流式波瓣喷嘴的结构从入口向出口方向依次包括矩形转圆形风道、圆形转波瓣型风道；其中矩形转圆形风道的矩形端连接风机出口，矩形转圆形风道的圆形端与圆形转波瓣型风道的圆形端通过相切平滑过渡方式连接。喷嘴内部加设导流装置用以引导流体平稳出流。
所述的射流式波瓣喷嘴，其特征在于：喷嘴由矩形转圆形风道、圆形转波瓣形风道及内部导流装置组成，各部分之间平滑密封连接。这样布置使得气流在离开离心风机的矩形截面出口时不被分散，气流更加集中、速度分布更为均匀；在矩形转圆形风道中可以使风机径向出来有一定速度的气流，避免气流逆压力梯度流动，降低流动阻力，减少出口流动损失；圆形转波瓣型风道部分由于截面积渐缩，再加之由于内置导流装置原因使得气流速度增加，静压降低，可以在圆形转波瓣型风道段引射一部分外壁面的静止的气体，从而在相同工作条件下增大风机流量。
所述的射流式波瓣喷嘴，其特征在于：喷嘴内部导流装置前端采用子弹头型，用以减少装置对风机来流流体的阻碍作用，从而减少流体的压损；后端的截面形状与圆形转波瓣型风道对应，逐渐由圆形向波瓣型变化，内部导流装置后端的波瓣形结构个数与圆形转波瓣型风道的波瓣形结构个数相等，且其与圆形转波瓣型风道之间的气体通流截面积处处相等。这样设计的主要目的是为了使气体能稳定集中地从增强卷吸、喷射能力的高效区域流出。
所述的射流式波瓣喷嘴，其特征在于：所述圆形转波瓣型风道的波瓣形状部分的截面的每个波瓣的高度与最宽处长度的比列为1-1.5。这样设计的主要目的是提高喷嘴的卷吸掺混能力、使喷出气流有更长的无粘核心区，同时可以让离心式风机在相同工作条件下增大风机流量。
所述的射流式波瓣喷嘴，其特征在于：喷嘴出口段由于圆形转为波瓣形流道，其截面形状逐渐也由圆形逐渐向波瓣形状变化，但圆形截面的面积与波瓣形截面相等；每个波瓣中心线与相邻的波瓣中心线夹角相等。这样设计的主要作用在于风道渐缩部分可以使得流体速度增加，静压降低，可以在外壁面引射一部分静止的气体。
所述的射流式波瓣喷嘴，其特征在于：喷嘴出口部分由于截面积渐缩，再加之由于内置导流装置原因使得气流速度增加，静压降低，可以在波瓣截面段引射一部分外壁面的静止的气体，从而在相同工作条件下增大风机流量。
附图说明
图1是本发明的一种射流式波瓣喷嘴的结构示意图；
图2是本发明的一种射流式波瓣喷嘴的平面结构示意图；
图3是波瓣型喷嘴截面的结构示意图；
图4喷嘴的结构示意图，其中（a）喷嘴正视图，（b）喷嘴侧视图，（c）波瓣夹角及长高比示意图；
图5常规圆形喷嘴速度等值线图；
图6射流式波瓣喷嘴速度等值线图；
图中标号名称：1-矩形转圆形风道；2-圆形转波瓣型风道；3-内部导流装置；21-波瓣形截面的波瓣；23-波瓣的高；24-波瓣最宽处的长度；22-两个相邻波瓣中心线的夹角。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
请参阅附图1和2所示，一种射流式波瓣喷嘴结构由矩形转圆形风道1、圆形转波瓣型风道2及内部导流装置3三部分组成。矩形转圆形风道1接离心式风机，圆形转波瓣型风道2接矩形转圆形风道1，两部分平滑密封连接，圆形转波瓣型风道2从入口至出口采用渐缩式结构。
请参阅附图3所示，外侧波瓣型轮廓为圆形转波瓣型风道的横截面，内侧波瓣型轮廓为内部导流装置横截面，气流在内外侧中间流通。
请参阅附图4所示，波瓣形状截面的每个波瓣中心线与相邻的波瓣中心线围成的夹角的角度相等，波瓣的高度与最宽处的长度的比值为1-1.5。
离心式风机的送风出口上装设连接喷嘴的连接装置，由风机轴向入口被吸入的气流 经过叶轮做功后沿径向离开叶轮，在风机矩形截面出口内流动到对应风机出口而设定的矩形转圆形风道1，此段风道的作用是把原本分散与有一定偏转角的气流缓变至汇集到圆形截面入口处，使气流更加集中、速度分布更加均匀，避免逆压力梯度流动，使其降低流动阻力，减少出口流动损失。当气流流至截面由圆形转波瓣型风道2时，喷嘴内部导流装置前端采用子弹头型，用以减少装置对风机来流流体的阻碍作用，从而减少流体的压损；喷嘴内部导流装置后端采用与外部相同的波瓣渐缩式结构，从而保证流体等截面积流动。在喷嘴内部加装导流装置，使气体能稳定集中地从增强卷吸、喷射能力的高效区域流出，并且波瓣形状截面的每个波瓣的区域内气流的速度增加，静压降低，可以引射一部分在两个波瓣之间的区域，即喷嘴外壁面静止的气体，从而在相同工作条件下与传统风机相比增大气体的流量。
实施例
计算机仿真模拟实验验证
数值模拟是研究流体流动的有力工具，许多研究机构在一项新结构或新技术预研阶段都会对该新结构或新技术进行数值模拟研究。数值模拟可以利用计算流体力学对风机的复杂流动问题的模拟计算，通过数值离散求解流体运动方程，揭示喷嘴射流流动机理和流动规律。
在fluent中对边界条件进行设置：流体选用不可压缩的空气，喷嘴入口截面采用速度入口，入口流速为6m/s；对喷嘴出口以外1m3的空间中流体流动进行数值模拟，参考压力1atm；喷嘴壁面设置为光滑无滑移壁面。
通过数值模拟实验方法验证得到：由图5(常规圆形喷嘴速度等值线图)和图6（射流式波瓣喷嘴速度等值线图）中所示的速度场等值线图可以看出，本发明所设计的喷嘴相对于传统的圆形截面出口，具有更大的流动速度，其核心流速大于12m/s；且其射程更远，具有更加均匀的速度分布及更加稳定的核心流。因此所设计的喷嘴对流动的改善效果明显。
Claims (3)
1.一种射流式波瓣喷嘴，其特征在于：
该射流式波瓣喷嘴结构从入口向出口方向，依次包括矩形转圆形风道（1）、圆形转波瓣型风道（2）；其中矩形转圆形风道（1）的矩形端连接风机出口，矩形转圆形风道（1）的圆形端与圆形转波瓣型风道（2）的圆形端通过相切平滑过渡方式连接；
上述矩形转圆形风道（1）的截面形状逐渐由矩形向圆形变化，其矩形截面的面积与圆形截面面积相等；
圆形转波瓣型风道（2）从入口至出口方向为渐缩式结构，其截面由圆形逐步转变为波瓣式形状，每个波瓣中心线与相邻波瓣中心线夹角相等；
上述圆形转波瓣型风道（2）内还设置有内部导流装置（3）；内部导流装置（3）前端为子弹头型结构，后端的截面形状与圆形转波瓣型风道（2）对应，逐渐由圆形向波瓣型变化，内部导流装置（3）后端的波瓣形结构个数与圆形转波瓣型风道（2）的波瓣形结构个数相等，内部导流装置（3）与圆形转波瓣型风道（2）之间的气体通流截面积处处相等。
2.根据权利要求1所述的射流式波瓣喷嘴，其特征在于：
所述圆形转波瓣型风道（2）的 波瓣式形状部分的截面的每片波瓣（21）的高度与最宽处长度的比例为1-1.5。
3.利用权利要求1至2任一所述的射流式波瓣喷嘴的方法，其特征在于包括以下过程：
离心风机吹出风后，经由矩形转圆形风道（1），使气流稳定聚集、更加集中，避免气流逆压力梯度流动，降低流动阻力，减少出口流动损失；
圆形转波瓣型风道（2），由于截面积渐缩，再加之由于内置导流装置（3）原因使得气流速度增加，静压降低，在波瓣截面段引射一部分外壁面的静止的气体，从而在相同工作条件下增大风机流量。
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