CN110786080B - 用于形成腔的液态衬里的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

描述了用于形成腔和液态衬里的系统的示例。该系统包括容器和旋转构件，该旋转构件位于容器内并且可绕旋转轴线旋转。旋转构件具有相对于旋转轴线弯曲的内表面、外表面和多个流体通道，每个流体通道在内表面处具有内侧开口并且在外表面处具有外侧开口。旋转构件填充有液态介质，并且旋转驱动器使旋转构件旋转，使得旋转液态介质至少部分地填充流体通道，从而形成液态衬里、限定了腔。腔形成系统用于具有内爆驱动器的液态衬里内爆系统中，该内爆驱动器使液态衬里向内内爆，从而使腔塌陷。内爆液态衬里系统可以用于等离子体压缩系统。

Description

用于形成腔的液态衬里的方法和系统
技术领域
本公开总体上涉及用于在液态介质中形成腔的方法和系统。
背景技术
如现有技术中已知的，用于在液态衬里中形成腔和用于使液态衬里内爆的系统形成圆柱形腔，该圆柱形腔通过使圆柱形液态衬里径向内爆而塌陷。这种现有技术的内爆液态衬里系统的示例是在1970年代在美国海军研究试验室开发的LINUS系统。在LINUS系统中，旋转的圆柱形液态金属衬里由自由活塞径向驱动。活塞由高压气体轴向驱动，从而引起旋转的液态衬里的自由表面径向运动。液态金属的初始旋转通过旋转其中容纳有液态介质的圆柱形容器来提供。整个容器绕其纵向轴线旋转，从而沿旋转轴线形成圆柱形腔，并且该圆柱形腔与旋转轴线同轴。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于形成腔的液态衬里的系统。该系统包括具有外壁的容器和位于容器内部并且可绕旋转轴线旋转的旋转构件。旋转构件包括沿着旋转轴线的第一端和第二端、限定内部容积并且相对于旋转轴线弯曲的内表面、具有随着内表面的形状变化的形状的外表面、以及多个流体通道，所述多个流体通道在内表面处具有内侧开口并且在外表面处具有外侧开口。旋转驱动器操作地联接到旋转构件以使旋转构件旋转。在容器中设置液态介质，使得液态介质至少部分地填充流体通道并形成液态衬里，并且该液态衬里的内表面相对于旋转轴线弯曲，从而限定腔。
在另一方面，旋转构件是不对称的，使得旋转构件的第一端处的Δr小于第二端处的Δr。
在一方面，旋转构件的外表面的形状根据如下式来确定：
Figure BDA0002333106590000021
其中Pout(top)是旋转构件的第一端的外表面处的压力；Pin是旋转构件的内表面处的压力；zo是内表面处的参考点；z是沿旋转轴线的可变距离；ρ是液态介质的密度；g是由于重力引起的沿着旋转轴线的加速度；ω是以rad/s为单位的旋转速度；r是距旋转轴线的可变垂直距离；ro(z)是定义通道的外侧开口相对于旋转轴线的半径的函数；并且ri(z)是定义通道的内侧开口相对于旋转轴线的半径的函数。
在一方面，当第一端在第二端上方时，旋转构件是不对称的，使得外侧开口相对于旋转轴线的半径与内侧开口相对于旋转轴线的半径之差(Δr)在旋转构件的第一端处小于在第二端处的Δr。
在一方面，容器包括包围旋转构件的定子。定子包括与旋转构件的第一端轴向对准的第一端、与旋转构件的第二端轴向对准的第二端、面向旋转体的外表面并与其间隔开的内壁、以及在内壁和外壁之间延伸以分解强涡流的室，该强涡流可以在定子内部产生，并减少定子内部的流动与旋转构件的流体通道之间的动量交换。室在定子的内壁处和外壁处开口。
布置有多个轴向间隔的架台和径向间隔的分隔器，以限定定子的室。至少一些架台包括允许液态介质流动的至少一个孔，使得当旋转构件旋转时，液态介质可以流向旋转构件的第一端和第二端。
在另一方面，在定子的内壁处的室的开口的截面形状与旋转构件的外侧开口的截面的形状不同。选择外侧开口的截面的形状，使得在旋转构件旋转期间，旋转构件中的所述多个流体通道不完全与定子的室的内部开口对准。
在一方面，提供了一种用于通过使液态衬里内爆而使腔塌陷的液态衬里内爆系统。液态衬里内爆系统包括用于形成液态衬里的系统和内爆驱动器，该内爆驱动器与旋转构件流体连通并且可操作地提供通过旋转构件的外侧开口的流体流以使液态介质在流体通道中位移通过旋转构件的内侧开口，并使液态衬里朝向腔的中心区域内爆。
在一方面，内爆驱动器包括多个活塞组件，所述多个活塞组件连接到容器的外壁并且围绕外壁的周边对称地布置。每个活塞组件包括：壳体，其限定具有开口端和封闭端的内孔；活塞，其可滑动地定位在开口端和封闭端之间的内孔中；以及驱动器，其操作地将活塞朝向开口端驱动。容器中的液态介质部分地填充活塞组件的内孔，使得当活塞朝向内孔的开口端驱动时，内孔中的液态介质通过旋转构件的外侧开口注入，从而使液态介质在流体通道中位移通过旋转构件的内侧开口。
在另一方面，流体是加压流体，并且内爆驱动器包括多个阀，所述多个阀连接到容器的外壁并且能够与旋转构件的至少一些外侧开口流体连通。所述多个阀与加压流体的源流体连通，使得当阀打开时，它们通过外侧开口将加压流体注入到旋转构件的所述多个流体通道中。
在一方面，提供了等离子体压缩系统。等离子体压缩系统包括液态衬里内爆系统和配置为产生等离子体的等离子体发生器。等离子体发生器连接到容器，使得等离子体发生器的出口插入在容器的外壁中形成的开口中。容器的开口与在旋转构件的第一端或第二端中之一处形成的入口对准，使得可以将产生的等离子体注入腔中。当液态衬里内爆系统使液态衬里朝向中心区域向内内爆时，其使腔塌陷并压缩捕获在其中的等离子体。
除了上述方面和实施方式之外，通过参考附图和对以下详细描述的研究，其他方面和实施方式将变得明显。
附图说明
贯穿附图，附图标记可以被重复使用以指示所引用的元件之间的对应关系。提供附图是为了说明本文中描述的示例性实施方式，而不旨在限制本公开内容的范围。附图中元件的尺寸和相对位置不必按比例绘制。例如，各种元件的形状以及角度未按比例绘制，并且这些元件中的一些元件被任意放大并定位以提高图形的可读性。
图1是用于形成腔的液态衬里的系统的示例的示意性截面侧视图，该腔具有朝向旋转轴线向内弯曲的旋转内部界面。
图2是具有多个流体通道的旋转构件的示例的透视截面图。
图3是用于形成腔的液态衬里的旋转构件的示例的部分侧视截面图，示出了旋转构件的内表面的形状和外表面的形状。
图4A是旋转构件的示例的透视截面图，该旋转构件具有多个轴向环和在环之间延伸以形成多个流体通道的多个径向柱。
图4B是图4A的旋转构件的口的截面细节图。
图5是液态衬里形成系统的透视截面图，示出了位于定子内的图2的旋转构件。
图6是定子的示例的部分透视截面图。
图7是定子的示例的透视截面图，示出了形成定子的室/挡板的多个架台和分隔器。
图8是定子和旋转构件的组件的数值模型的示例的部分截面顶视图。
图9是使用用于形成液态衬里的系统的液态衬里内爆系统的示例的示意性截面侧视图，示出了多个活塞组件作为内爆驱动器以使液态衬里内爆。
图10是使用用于形成液态衬里的系统的液态衬里内爆系统的示例的透视截面图，示出了用于注入加压流体的多个阀作为内爆驱动器以使液态衬里内爆。
图11是使用液态衬里内爆系统来压缩等离子体的等离子体压缩系统的示例的侧视截面图。
图12是使用液态衬里内爆系统来压缩等离子体的水平定向等离子体压缩系统的侧视截面图。
具体实施方式
图1示出了系统10的示例，该系统10用于将腔13形成在液态介质中，使得液态衬里18围绕腔13。系统10包括具有外壁11的容器12和位于容器12内并且可绕旋转轴线旋转的旋转构件14。旋转构件14可以包括多个通道(channels)(通道(passages))16(参见图2)，并且在旋转构件14的内部限定内部容积。旋转构件14可以是部分地填充液态介质，使得当旋转构件14旋转时，液态介质可以至少部分地填充通道16。液态介质可以是液态金属，例如液态锂或液态铅/锂合金、或适合于在旋转构件14旋转时形成液态衬里的任何其他流体、合金或其组合。旋转驱动器联接到旋转构件14以使旋转构件14旋转，使得液态介质被周向驱动并且被横向约束，从而填充通道16，并且形成具有朝向旋转轴线向内弯曲的旋转内部界面19的液态衬里18。衬里18限定了腔13。旋转驱动器可以例如包括连接至旋转构件14的至少一部分的杆17、以及与杆17连通被设置为使旋转构件14旋转的动力源(未示出)。在另一实现方式中，可以省略杆17，并且旋转构件14可以利用液态介质的流动旋转。
可以提供液态循环系统20以引导液态介质在系统10中的流动。循环系统20可以包括多个阀、喷嘴、管网和一个或多个泵以实现液态介质在旋转构件14中的期望流动。循环系统20还包括一个或多个注入口21，用于将液态介质注入旋转构件14；以及一个或多个排出口22，用于将液态介质从旋转构件14和容器12中排出。例如，注入口21可形成在容器12的极点附近，而排出口22可形成在容器12的赤道处或赤道附近的各种纬度处。在一个实施方式中，可以在注入口21/排出口22处提供流量控制，以控制通过口的流体流动。在一种实现方式中，液态流循环系统20可以完全或部分地定位在容器12内，从而使用例如磁性系统引导液态流，从而成形口21/22，而无需使用围绕容器12的延伸的管网。在一种实现方式中，循环系统可以用于填充和排空旋转构件。例如，可以通过一个或多个口21/22注入预定量的液态介质。然后可以关闭口，并且旋转构件14旋转以形成衬里18。当需要排空容器时，可以通过相同或不同的口来完成。
旋转构件14可以位于容器12内，或者其可以定位在固定并包围旋转构件14的定子100(参见图5)内。对于本申请的目的，定子是指在其中旋转构件14旋转并形成腔13和液态衬里18的非旋转组件。定子100可以与容器12分离，使得包围旋转构件14的定子100的组件可以定位在容器12内，或者定子100可以与容器12连接，从而与容器12形成单个结构元件，并且旋转构件14可以定位在容器12内，使得容器12为定子。
图2示出了旋转构件14的截面，示出了多个通道(channels)/通道(passages)16。每个通道16在旋转构件14的内表面26处具有内侧开口15，并且在旋转构件14的后(外)表面36处具有外侧开口25。内表面26与旋转轴线27同轴。旋转构件14可具有第一端23(顶极点)和第二端24(底极点)。旋转构件14的内表面26相对于旋转轴线27弯曲，使得内表面26的一个(或多个)部分可以朝向旋转轴线27向内弯曲，而其他部分可以相对于旋转轴线27(远离旋转轴线)向外弯曲。附图示出了其中内表面26在第一端23和第二端24中的每个处向内弯曲(球形内表面26)的旋转构件14，然而，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，内表面26可以具有另一弯曲形状诸如凸形(在第一端23和第二端24中的每个处向外弯曲)或波浪形。旋转构件14还可以包括形成在旋转构件14的第一端23或第二端24处的入口28。在不脱离本发明的范围的情况下，入口28可以形成在旋转构件14的一个或全部两个端23、24上。通道16在内侧开口15和外侧开口25处开口，使得液态介质可以流过旋转构件14。在不脱离本发明的范围的情况下，开口15、25的形状和通道(passages)/通道(channels)16的截面可以是矩形、圆形、菱形或其他合适的形状。每个通道16可以具有在外侧开口25和内侧开口15之间延伸的壁，该壁限定了通道的截面，例如矩形、圆形、菱形或其他合适的截面。例如，图2示出了旋转构件14，其具有通道16的菱形截面，然而，这仅出于说明的目的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，通道16的截面可以具有另一种合适的形状。至少一些通道16的截面可从外侧开口25朝向内侧开口15向内逐渐减小，并朝向腔13的中心区域29会聚。通道16的内侧开口15朝向腔13的中心区域29被定向和会聚。一些通道16可以倾斜和/或弯曲，使得内侧开口朝向腔13的中心区域29定向(会聚)。在一个实现方式中，内侧开口15处的一些通道16的壁可以是逐渐减小的/倒角的。通道16的纵横比使得在旋转构件14的外表面36与固定壁(例如，容器12的壁11或定子的壁)之间的界面上或通道16内部可能形成的任何流动模式不会传播到液态衬里18的内部界面19。例如，每个通道16的深度(长度)与截面(宽度)之比可以为3:1或更高。通道16的长度、宽度和/或高度可以变化，例如靠近端23、24的通道16可以比远离端23、24的通道16更窄和/或更长。
由旋转构件14旋转的液态被迫抵靠形成腔13和液态衬里18的容器12的壁11(或定子的壁)。在不脱离本发明的范围的情况下，旋转构件14的形状例如其内表面26和/或其外表面36可以是弯曲的，使得旋转构件14可以是球形或扁形(蛋形)或任何其他合适的形状或其组合。可以通过控制旋转构件14的外表面36处的压力来控制和调节液态衬里界面19的形状。在操作中，沿外表面36的压力保持接近一致，以形成具有期望内部界面19的液态衬里18。外表面36的形状随着内表面26的形状而变化，使得对于预设的内表面26，外表面的形状被确定为使得沿着外表面的压力接近一致。图3示出了具有外表面36的旋转构件14的部分截面图，该外表面36具有可以根据如下式确定的形状：
Figure BDA0002333106590000071
其中，Pout(top)是第一(上)端23的外表面36处的压力，并且是设计输入；Pin是旋转构件14的内表面26处的压力，并且由腔13中包含的物质即气体、等离子体、磁场等限定；zo是内表面26处的参考点，如图3所示；z是沿旋转轴线的可变距离；ρ是液态介质的密度；g是由于重力引起的沿着旋转构件14的旋转轴线的加速度；ω是以rad/s为单位的旋转速度；r是距旋转轴线的可变垂直距离；ro(z)是定义通道16的外侧端25相对于旋转轴线的半径的函数；并且ri(z)是定义通道16的内侧端15相对于旋转轴线的半径的函数。本领域技术人员将理解，对于未竖直定向的系统(例如，倾斜或水平定向的系统)，式(1)应适于考虑重力矢量相对于旋转轴线的偏移。
根据式(1)，图3的旋转构件14的外表面36被成形为使得在端23、24处的通道(channels)/通道(passages)16的半径的变化Δr(Δr＝ro–ri)大于远离端23、24处通道16的半径的变化Δr。因此，Δr从端23、24朝向旋转构件14的赤道逐渐减小。应该意识到，由于重力，在旋转构件14的外表面36处可能存在小的压力梯度。但是，在旋转系统中，由于重力加速度远小于角加速度，因此这种压力梯度相对较小。如此说来，在其中压力较低的小尺寸系统中，来自重力的微小的压力梯度可以影响液态衬里内界面的曲率。为了补偿由于重力引起的压力梯度，第一端23在第二端24上方的旋转构件14可以关于赤道面不对称，使得例如对于球形的内表面26在第一(顶)端23处的Δr可以小于在第二(底)端24处的Δr。
旋转构件14可以是单个构件，或者其可以由两个或更多个部件互锁在一起以形成旋转构件14。例如，旋转构件14可以具有多个横向部件，其沿旋转轴线间隔开，并且可以彼此堆叠和嵌套以形成旋转构件14。每一个部件都可以独立地旋转，以调节液态衬垫18的参数。多个互锁部件可以以不同的速度旋转，以调节液态衬里18的几何形状，或液态衬里18的塌陷的几何形状。
图4A和图4B描绘了旋转构件114的另一实施方式，该旋转构件14可以在用于形成腔和具有弯曲内部界面的液态衬里的系统中使用。旋转构件114具有与旋转轴线同轴的内表面125和外表面126。旋转构件114的内表面125朝向旋转轴线向内弯曲。在内表面125处形成有多个内侧开口，并且在外表面126处形成有多个外侧开口。旋转构件114包括轴向间隔开的多个环111和在所述多个环111之间延伸径向间隔开的多个柱112，使得所述多个柱112和所述多个环111限定了多个可能的流体通道116。环111可以被水平对准为其焦点在腔的中心区域处的圆锥部分，即由环111形成的横向通道环111朝向中心区域会聚。所述多个环111将旋转构件划分为横向区域110，并且柱112在每个横向区域110中形成多个可能的流体流动通道116。在旋转构件114旋转期间，每个横向区域110中的流体可以通过由柱112的布置形成的通道116径向和环向方向流入。例如，柱112可以被布置成具有形成类似于图2的通道16的直线构造通道的几何形状。在一个实施方式中，在一个横向区域110中的柱112可以在竖直方向上与另一横向区域中的柱112对准。旋转构件114的内表面125和外表面126之间的流体流可以被横向地约束，但是在一个横向区域110内，流体流可以在径向和环向方向上具有变化的路径(通道116的形状和路径变化)。
图5示出了(图2的)旋转构件14的组件40和包围旋转构件14的定子100的一个示例。组件40可以定位在容器12内。如前所述，在不脱离本发明的范围的情况下，定子100可以被连接容器12。开口48形成在定子100中，其与旋转构件14的入口28对准。定子100包括与旋转构件的第一端23轴向对准的第一端、与旋转构件的第二端24轴向对准的第二端、面向旋转构件的外表面36并与其间隔开的内壁45、以及在定子100的内壁45和外壁47处开口的多个室46。室46被配置成分解强涡流，该强涡流可在定子的腔内形成并且减少定子100内部的流与旋转构件14的通道16之间的动量交换。在图6和图7中更清楚地示出室46。在一些实现方式中，定子100的外壁47可以与容器12的外壁11相同，并且室46可以在容器12的外壁11处开口。至少一些室46可以具有从外壁47/11朝向内壁45向内逐渐变小/会聚的截面。在一个实现方式中，室46可以在外壁47处封闭(或部分封闭)(参见图7)。室46可由在定子100的外壁47和内壁45之间延伸的轴向间隔开的多个架台50和径向间隔开的多个分隔件52形成。定子100的内壁45成形为使得其与旋转构件14的外表面36的形状匹配，而外壁47可以成形为与容器12的形状匹配。每个室46的深度(长度)与截面(宽度)的纵横比可以为至少3:1，以便减轻和防止在室46中或在定子100与旋转构件14之间产生的，并且可能影响液态衬里18的内部界面19的任何流体运动。在一个实现方式中，室46可以被组合成多个室簇146，以使室46的外端适于与可以在容器12的外壁中形成的任何口(参见图10中的口94)配合(对准)。例如，定子11可以包括外壳102，其包括室簇146并且其可以是单件或多个互连件(多个互连在一起的室簇146)。外壳102的外表面可以与容器12的壁11接触。室簇146可以具有矩形内表面147和圆形外表面148，其中内表面147具有与室46对准的流通室(参见图5)。在不脱离本发明的范围的情况下，室簇146的内表面147和外表面148可以是任何形状。每个室簇146中的至少一些室可以具有朝向圆形面148的逐渐变小的构造，以适应从矩形内表面147到圆形外表面148的过渡。
图7还示出了架台50可以具有一个或多个孔54，使得液态介质可以在竖直定向的系统中从一个横向区域流过这样的孔54而到达另一个横向区域。室46和孔54提供了当旋转构件14旋转时液态介质只能在一个方向(例如，在竖直定向的系统中在赤道和极点之间的竖直方向或在水平定向的系统中在水平方向)流动。这防止定子100中的流体旋转并在旋转构件14的外表面36上形成压力梯度。旋转的液态介质在赤道处的压力可以将液态介质朝向极点(端23、24)推下室46，并且用作自泵式离心泵，从而避免了需要外部液态循环系统20。在竖直定向的系统中，液态介质将利用由于旋转构件14的旋转引起的向心力从赤道流向上极点(第一端23)，并从赤道流向下极点(第二端24)。
图8是定子100和旋转构件14的组件的数值模型的赤道截面的示例。对定子/旋转构件组件的许多不同的几何形状进行了建模，以研究在一定转速和水粘度下定子/旋转构件组件中的流场及其对液态衬里的内部界面的影响。建模的几何形状着眼于定子室的截面与旋转构件的室的截面的几种比率，并且在图8中显示了一些结果。在图8的顶部两个视图中示出的第一模拟几何形状表示如下定子100和旋转构件14的组件，其中在旋转构件14和定子100之间的界面处，定子100的室46的截面(例如宽度)是旋转构件14的通道16的截面(宽度)的两倍。第二模拟几何形状(中间视图)表示如下定子100和旋转构件14的组件，其中在旋转构件14和定子100之间的界面处，定子100的室46的截面(宽度)与旋转构件14的通道16的截面(宽度)相同。在图8的底部两个视图中示出的第三模拟几何形状表示如下定子100和旋转构件14的组件，其中在旋转构件14和定子100之间的界面处，定子100的室46的截面(宽度)是旋转构件14的通道16的截面(宽度)的尺寸的一半。从第一模拟几何形状中可以看出，在定子100的室46和旋转构件14的通道16内形成了流体运动(涡流)70，该流体运动70传播到液态衬里18的内部界面19，并且这种内部界面被打乱(不光滑)。在定子100中添加室46有助于形成具有更平滑内部界面的液态衬里，如针对第二模拟几何形状和第三模拟几何形状的右侧的视图所示。关于第二模拟几何形状和第三模拟几何形状，可以看出，在室46和通道16中仍然可以产生一些流体运动(涡流)，但是这种涡流不会传播到液态衬里18的内部界面19。因此，在内壁45处具有比通道16的外侧端25的截面小的室截面的定子100可以防止旋转构件14与定子100之间的流体运动。
通道16和室46的尺寸(宽度/长度/深度)和数量被配置为使得由于容器12或定子100的固定壁和旋转构件14/114之间的相互作用而可能在通道16和室46内部发生的任何流体运动不会影响液态衬里18的内部界面19。例如，通道16、46的宽度需要小于长度，以提供流体通道的长度与宽度的如下长宽比：其将阻止流体运动传播到内部界面19。此外，旋转构件的通道16的外侧开口25的截面形状可以不同于定子的内壁45处的室46的截面的形状，以防止在旋转构件14/114和固定容器12/100之间出现周期性的不稳定性。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，室46的截面的形状可以是矩形，而通道16的截面的形状可以是菱形(参见图5)，或反之亦然。通道16和/或室46可以具有任何其他截面形状，只要在旋转构件14/114旋转期间，定子的室46不与旋转构件14/114的通道16完全对准即可，以便防止在定子和/或旋转构件中周期性地激发流体运动。另外，预先选择在特定纬度具有内侧开口的室46的数量和在该特定纬度具有外侧开口的通道16的数量，使得最大公约数较小以防止周期性。在一些实施方式中，小的公约数可以在1与10之间，以防止在定子和/或旋转构件中的流体运动的周期性激发。在一个实施方式中，在特定纬度下，室46的数量与通道16的数量的最大公约数为1。纬度定义为垂直于旋转轴线的平面。
在一种实现方式中，室46的内壁和/或通道16的内壁可以用沿着室46/通道16的纵向轴线对准的小纵向脊(鳞片)来起褶皱，以通过减少阻力来减小在其中形成的任何不稳定性或涡旋和/或限制涡流保持附着在室46/通道16的特定区域。
用于形成腔13和液态衬里18的系统可以用于液态衬里内爆系统中，以在径向和轴向方向上使液态衬里内爆。液态衬里内爆系统包括用于形成腔的液态衬里的系统和内爆驱动器。内爆驱动器与旋转构件14/114流体连通，使得内爆驱动器提供通过通道16/116的外侧开口25的流体流，并使液态介质在流体通道16/116中位移通过内侧开口15，因此导致液态衬里朝向腔的中心区域内爆。在一个实现方式中，内爆驱动器可以通过将液态介质通过外侧开口25注入来使液态衬里18内爆。图9示出了液态衬里内爆系统80，该液态衬里内爆系统80包括多个活塞组件82，活塞组件82被安装到容器12的外壁11上并围绕容器12的周边对称地布置。可将旋转构件14/114或旋转构件14/114和包围旋转构件的定子100的组件插入容器12中。在一个实现方式中，定子100连接到容器12，并且旋转构件位于定子内部，以面向定子的内壁并且与之间隔开。每个活塞组件82包括壳体，该壳体限定具有封闭端84和开口端85的内孔，该开口端85提供与通道16的外侧开口25和旋转构件的内部流体连通。例如，活塞组件82的开口端85可以插入到形成在容器12的壁中的口(例如，参见图10的口94)中，使得内孔的开口85与室簇146的圆形外表面148对准(参见图5和图6)。活塞86可以插入到活塞组件82的内孔中。活塞86可滑动地定位在封闭端84和开口端85之间的内孔中，使得当对其背面施加压力时，活塞86可以朝向开口端85滑动。可以设置驱动器以将活塞86朝向其开口端85加速。驱动器可以是气动的、液压的、电磁的、机械的或任何其他合适的驱动器或其组合。例如，驱动器可以包括加压流体(例如，压缩气体)喷射系统，其可以用于将压力(推力)提供到孔中(在活塞86和封闭端84之间)以将活塞86朝向开口端85加速。活塞组件82的操作和定时可以使用控制器来同步。在旋转构件14中流动的液态介质通过开口端85被推入活塞组件82的内孔中，从而在活塞86的前表面和开口端85之间部分填充孔。进入内孔的液态介质形成固定的液态层。因此，填充定子100的室46/146和活塞组件82的内孔中的液态介质的一部分的液态层是固定的。当注入系统将加压流体(例如压缩气体)注入到内孔的上部中时，其使活塞86朝向开口端85向前加速，从而将固定液态层排出内孔并排出定子100的室46/146，使得它可以推动形成在旋转构件14/114中的旋转液态衬里18，从而使这种液态衬里18内爆，从而使腔向内塌陷。内爆的方向由旋转构件14/114的流体通道16/116的取向确定。例如，从靠近旋转构件的第一端23和第二端24的通道16/116中排出的流体将在轴向和径向方向矢量上朝向腔13的中心区域29行进，而从赤道处的流体通道16/116中排出的流体将沿径向朝向中心区域29行进。因此，液态衬里18将沿径向和轴向朝向腔13的中心区域29内爆。为了防止活塞86从内孔中移出，可以在开口端85附近设置止动件，例如固定环(未示出)。如果一个或多个活塞组件82在其余的活塞组件82之前被击发，则可以设置固定环作为安全止动件。固定环可以位于形成于活塞组件82壳体中的底座内。可替选地或另外地，阻尼装置可以设置用于防止活塞86在这种固定环上的高速撞击。在液态衬里18被内爆之后，可以使用返回系统(未示出)将活塞86返回到起始位置。用于将活塞86返回至其起始位置的系统可以是机械、气动或液压系统或其组合。在一种实现方式中，在内爆结束时弹回的液态介质的压力和/或由于加热和气化的液态介质而产生的压力可以使活塞86返回到起始位置。
在一种实现方式中，可以使用加压流体(例如，压缩气体)直接推动定子100的室46中的液态介质。在这种情况下，可以用喷嘴替换多个活塞组件82，并且加压流体可以通过围绕容器12的周边对称布置的多个阀来提供。加压流体可以推动可以在阀的壳体中形成的固定液态层和/或填充定子100的室46/146的固定液态层，从而将其移动并推到旋转液态衬里18上，从而使其朝向腔的中心区域向内内爆。图10是液态衬里内爆系统的部分截面图，该液态衬里内爆系统包括围绕容器12的圆周布置的多个阀92。容器12包括围绕容器12的圆周布置的多个口94，其中可以安装阀92。通过每个阀92注入的加压流体(例如，压缩气体)推动在定子中的液态介质(如本文以上所述)并使液态衬里18向内内爆。在内爆期间液态衬里18的参数和形状可以通过控制阀92的定时和通过每个阀92的压力来控制。本领域技术人员可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，关于图10描述的阀92可以由图9的活塞组件82所取代。
在一种实现方式中，内爆驱动器可以包括多个阀92和多个活塞组件82。例如，多个阀92可以提供较小的推动力以使液态衬里18的界面19从旋转构件的内表面26向内移动。因此，在活塞组件82被触发之前，内部界面19的曲率可以是平滑的。当多个活塞组件82被触发时，液态衬里18向内内爆，使得腔13塌陷。多个活塞组件82提供另外的推力，以将液态衬里18朝向中心区域完全内爆，从而使腔13塌陷。阀92可以通过与活塞组件82的口分开的口与旋转构件14流体连通。可以提供控制器(未示出)以控制活塞组件82和阀92的触发时间。例如，控制器可以与内爆驱动器(活塞82和阀92)通信，使得控制器可以发送第一触发信号，以提供第一阶段内爆，以使液态衬里界面从旋转构件的内表面26向内移动(以平滑界面)，然后可以提供第二触发信号，以提供第二阶段内爆，以用于完全液态衬里内爆并使腔塌陷。在一种实现方式中，可以调节活塞组件82以分两个阶段提供推力；在第一阶段中，活塞86可以稍微移动下内孔，以使液态衬里内部界面19从内表面26向内移动，并且然后在第二阶段中，活塞86可以一直加速到开口端85，以使液态衬里18完全内爆并使腔13塌陷。
本文以上描述的液态衬里内爆系统可以用于等离子体压缩系统中以压缩等离子体。等离子体压缩系统包括：等离子体发生器，以用于产生等离子体并将这种等离子体注入到形成在液态衬里内的空腔中；以及液态衬里内爆系统，以朝向空腔的中心区域向内使液态衬里内爆，以压缩其中捕获的等离子体。图11示出了等离子体压缩系统1200的示例，该等离子体压缩系统1200包括等离子体发生器1220，该等离子体发生器1220被构造成产生等离子体并将这种等离子体注入形成在旋转构件14中的空腔1213中。等离子体可以是磁化等离子体例如紧凑环形线圈(compact toroid，CT)。等离子体发生器1220连接到容器12，使得等离子体发生器1220的出口与形成在容器12的壁11中的环形开口和旋转构件14的入口28对准，使得在等离子体发生器1220中产生的等离子体被注入到旋转构件14内部的空腔1213中。当触发内爆驱动器时，例如当活塞组件82的活塞86被加速以将液态层从内孔排出并且从室46或定子100排出时，形成在旋转构件14中的旋转液态衬里18向内内爆，从而使腔1213塌陷并且压缩捕获在其中的等离子体。
在图1至图11中的任何一个中示出的用于使液态衬里内爆的系统是竖直定向的，然而，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，这样的系统可以处于水平定向或倾斜一定角度。例如，图12示出了水平定向的等离子体压缩系统。使系统水平或倾斜的一个原因是因为在水平定向的系统中旋转构件的轴承可以具有较便宜的设计。
尽管已经示出和描述了本公开内容的特定元件、实施方式和应用，但是应当理解，由于本领域技术人员可以在不脱离本公开内容的范围的情况下特别是根据前述教导进行修改，因此本公开内容的范围不限于此。因此，例如，在本文公开的任何方法或过程中，构成该方法/过程的动作或操作可以以任何合适的顺序执行，并且不必限于任何特定公开的顺序。在各种实施方式中，元件和组件可以被不同地配置或布置、组合和/或消除。上述的各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合旨在落入本公开内容的范围内。贯穿本公开内容，对“一些实施方式”、“实施方式”等的引用意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构、步骤、过程或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，贯穿本公开内容，短语“在一些实施方式中”、“在实施方式中”等的出现不一定都指代同一实施方式，并且可以指代相同或不同实施方式中的一个或多个。实际上，本文描述的新颖的方法和系统可以以多种其他形式来体现；此外，在不脱离本文描述的本发明的精神的情况下，可以对本文描述的实施方式的形式进行各种省略、增加、替换、等同、重新布置和改变。
已经在适当的地方描述了实施方式的各个方面和优点。应当理解，根据任何特定实施方式，不必可以实现所有这些方面或优点。因此，例如，应当认识到，可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式执行各种实施方式，而不必实现如本文所教导或建议的其他方面或优点。
除非另外具体说明或在所使用的上下文中以其他方式理解，否则本文所使用的条件语言例如“能够”、“可”、“可能”、“可以”，“例如”等通常旨在传达某些实施方式包括而某些实施方式不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这种条件语言通常不旨在暗示特征、元件和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施方式是必需的，或者不旨在暗示一个或多个实施方式必然包括用于确定(有或没有操作员输入或提示)这些特征、元件和/或步骤是否在任何特定实施方式中被包括或将被执行的逻辑。对于任何特定实施方式，不存在单个特征或特征组是需要或必不可少的。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词，并且以开放式方式包含地使用，并且不排除其他元件、特征、动作、操作等。此外，术语“或”以其包含的含义使用(而不是以其排他的含义使用)，因此例如在用于连接元件列表时，术语“或”表示列表中的一个、一些或全部元件。
本文描述的实施方式的示例性计算、模拟、结果、图形、值和参数旨在说明而不是限制所公开的实施方式。其他实施方式可以与本文描述的说明性示例不同地配置和/或操作。

Claims (22)

1.一种用于形成腔的液态衬里的系统，所述系统包括：
具有外壁的容器；
旋转构件，其位于所述容器内并且能够绕旋转轴线旋转，所述旋转构件包括：
i.沿所述旋转轴线的第一端和第二端；
ii.内表面，所述内表面限定内部容积并且相对于所述旋转轴线弯曲；
iii.外表面，所述外表面的形状随着所述内表面的形状而变化；以及
iv.多个流体通道，每个流体通道在所述内表面处具有内侧开口并且在所述外表面处具有外侧开口；
旋转驱动器，其操作地联接到所述旋转构件以使所述旋转构件旋转；以及
所述容器中的液态介质，当所述旋转构件旋转时所述液态介质至少部分地填充所述流体通道并且形成液态衬里，所述液态衬里的内部界面限定与所述旋转轴线同轴的腔，所述内部界面相对于所述旋转轴线弯曲。
2.根据权利要求1所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中所述旋转构件的外表面的形状根据如下式来确定：
Figure FDA0003524261850000011
其中Pout(top)是所述旋转构件的所述第一端的外表面处的压力；Pin是所述旋转构件的内表面处的压力；zo是所述内表面处的参考点；z是沿所述旋转轴线的可变距离；ρ是所述液态介质的密度；g是由于重力引起的沿着所述旋转轴线的加速度；ω是以rad/s为单位的旋转速度；r是距所述旋转轴线的可变垂直距离；ro(z)是定义所述流体通道的外侧开口相对于所述旋转轴线的半径的函数；并且ri(z)是定义所述流体通道的内侧开口相对于所述旋转轴线的半径的函数。
3.根据权利要求1所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中所述旋转构件的所述内表面朝向所述第一端和所述第二端中的每一端向内弯曲。
4.根据权利要求3所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中当所述旋转构件的所述第一端在所述第二端上方时，所述旋转构件关于赤道平面不对称，使得所述外侧开口相对于所述旋转轴线的半径与所述内侧开口相对于所述旋转轴线的半径在所述第一端处的差小于在所述第二端处的差。
5.根据权利要求1所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中每个流体通道的深度与宽度的纵横比为至少3∶1。
6.根据权利要求1所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中所述流体通道的所述内侧开口被定向并朝向中心区域会聚。
7.根据权利要求1所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中所述多个流体通道中的每一个流体通道包括在所述外侧开口与所述内侧开口之间延伸的壁，所述多个流体通道中的至少一个流体通道具有从该流体通道的外侧开口朝向内侧开口向内逐渐减小的截面，所述液态介质能够沿着所述流体通道的纵向轴线在所述内侧开口与所述外侧开口之间流动。
8.根据权利要求7所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中所述多个流体通道中的所述至少一个流体通道的壁在所述内侧开口处逐渐减小。
9.根据权利要求1所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中所述旋转构件还包括轴向间隔开的多个环以及在所述多个环之间延伸的径向间隔开的多个柱，其中所述多个柱和所述多个环限定所述多个流体通道。
10.根据权利要求1所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中所述容器还包括包围所述旋转构件的定子，所述定子包括与所述旋转构件的第一端轴向对准的第一端、与所述旋转构件的第二端轴向对准的第二端、面向所述旋转构件的所述外表面并且与之间隔开的内壁、以及在所述内壁与所述外壁之间的室，其中所述室在所述内壁和所述外壁处开口。
11.根据权利要求10所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中所述定子还包括轴向间隔开的架台和径向间隔开的分隔器，所述架台和所述分隔器在所述外壁与所述内壁之间延伸并且被布置为以室深度与室宽度的深宽比为至少3∶1来限定所述室。
12.根据权利要求11所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中至少一些所述室中的所述架台中的至少一些架台包括允许所述液态介质流动的至少一个孔，所述至少一些架台包括至少一个孔，所述至少一个孔被布置成使得当所述旋转构件旋转时所述液态介质流向所述第一端和所述第二端。
13.根据权利要求10所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中在所述定子的所述内壁处的所述室的开口的截面的形状与所述旋转构件的所述外侧开口的截面的形状不同，所述外侧开口的截面的形状被选择成使得在所述旋转构件旋转期间，所述旋转构件中的所述多个流体通道不完全与所述定子的所述室的内部开口对准。
14.根据权利要求10所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中在所述定子的所述内壁处所述室的截面面积小于在所述旋转构件的所述外表面处所述流体通道的截面面积。
15.根据权利要求10所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中在垂直于所述旋转轴线的平面上具有内部开口的室的数目与在相同平面上具有所述外侧开口的流体通道的数目的最大公约数在1与10之间。
16.根据权利要求15所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中所述室的数目与所述流体通道的数目的最大公约数为1。
17.根据权利要求10所述的用于形成腔的液态衬里的系统，其中所述室和所述流体通道中的至少一者的内壁利用纵向延伸的脊部而起褶皱。
18.一种液态衬里内爆系统，用于通过使腔的液态衬里内爆来使所述腔塌陷，所述液态衬里内爆系统包括：
根据权利要求1至17中任一项所述的用于形成腔的液态衬里的系统；和
内爆驱动器，其与所述旋转构件流体连通，并且能够操作地提供通过所述旋转构件的所述外侧开口的流体流，由此使所述液态介质在所述流体通道中位移通过所述旋转构件的所述内侧开口，并且使所述液态衬里朝向所述腔的中心区域内爆。
19.根据权利要求18所述的液态衬里内爆系统，其中所述流体是所述液态介质，并且所述内爆驱动器包括多个活塞组件，所述多个活塞组件连接到所述容器的所述外壁并且围绕所述外壁的周边对称地布置，每个所述活塞组件包括：
壳体，所述壳体限定内孔，所述内孔具有开口端和封闭端，所述开口端能够与所述旋转构件的所述外侧开口中的至少一些外侧开口流体连通，使得所述液态介质部分地填充所述内孔；
活塞，所述活塞在所述开口端与所述封闭端之间能够滑动地定位在所述内孔中；
驱动器，所述驱动器能够操作地驱动所述活塞朝向所述开口端，使得所述内孔中的所述液态介质通过所述旋转构件的所述外侧开口注入，由此使所述液态介质在所述流体通道中位移通过所述旋转构件的所述内侧开口。
20.根据权利要求18所述的液态衬里内爆系统，其中所述流体是加压流体，并且所述液态衬里内爆系统包括：
多个阀，所述多个阀连接到所述容器的所述外壁，并且围绕所述容器的周边对称地布置，并且能够与所述旋转构件的所述外侧开口中的至少一些外侧开口流体连通；以及
与所述多个阀流体连通的所述加压流体的源，
所述阀能够操作地将所述加压流体通过所述旋转构件的所述外侧开口注入到所述旋转构件的所述多个流体通道中。
21.根据权利要求18所述的液态衬里内爆系统，还包括与所述内爆驱动器通信的控制器，所述控制器被编程以向所述内爆驱动器发送：第一触发信号，用来提供第一阶段内爆以使所述界面从所述旋转构件的所述内表面向内移动；以及第二触发信号，用来提供第二阶段内爆以使所述腔塌陷。
22.一种等离子体压缩系统，包括：
根据权利要求18至21中任一项所述的液态衬里内爆系统；以及
等离子体发生器，其被配置为产生等离子体并具有出口，所述等离子体发生器连接到所述容器，使得所述等离子体发生器的所述出口插入在所述容器的所述外壁中形成的开口中，所述容器的开口与在所述旋转构件的所述第一端或所述第二端中的一端处形成的入口对准，所产生的等离子体能够注入所述腔中，由此内爆的所述液态衬里使所述腔塌陷并且压缩在其中捕获的等离子体。
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