CN112547330A - 一种无反馈管道的流体振荡器 - Google Patents

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温新
李子焱
刘应征
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    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/02—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape
    • B05B1/08—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape of pulsating nature, e.g. delivering liquid in successive separate quantities ; Fluidic oscillators

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Abstract

本发明涉及一种无反馈管道的流体振荡器，包括振荡器主体以及设置在振荡器主体内依次连通的整流段、收缩段、反应腔室、喉部和扩散形喷嘴，所述的整流段与后端的外部压力流源连通，所述的反应腔室的截面呈前大后小且以前后方向的中线上下对称的葫芦形，所述的扩散形喷嘴沿程的壁面进行弧形扩充后呈喇叭状。与现有技术相比，本发明具有结构简单、体积小、频率高、更均匀的周期性横向射流振荡等优点。

Description

一种无反馈管道的流体振荡器
技术领域
本发明涉及流体振荡器领域，尤其是涉及一种无反馈管道的流体振荡器。
背景技术
如图1所示，现有的流体振荡器是一种不需要机械移动部件即可在出口产生连续振荡的射流的器件，它的基本原理是：当一定压力的流体从入口进入到流体振荡器混合腔中时，由于康达效应，主流必然会依附在一侧的壁面上，从而沿着壁面，分为两路，一路从喉部出去成为外部射流，另一部分沿着反馈通道重新流回主流的根部，促使主流翻转，依附到另一侧的壁面上，这时外部射流便会同时翻转到另一侧产生振荡的效果，同时剩余的主流进入到这一侧的反馈通道中，流回主流根部，再次促使主流翻转，如此周而复始，形成连续的振荡效果。由于其出色的可缩放性和可集成性、从几赫兹到几万赫兹的超大频宽、恶劣环境下运行的鲁棒性以及其内在的振荡特性，这种器件已经在流动控制和强化换热领域吸引了越来越多的科学家和工程师的目光。近几十年，流体振荡器在诸如分离控制、噪音抑制、钝体减阻、燃烧控制、换热增强、混合增强和射流冲击等问题上取得了广泛的成功。
但是，现有的流体振荡器有一个显著的缺点，就是它需要基于反馈管道才能实现连续的振荡，而反馈管道的存在使得振荡器的体积大大增加，从而限制了单位面积上振荡器布置的密度，这意味着要达到相同的控制效果，只能提高流量，而这将耗费更多的能量，另外，由于现有振荡器的振荡频率与反馈管道以及反应腔室的容积成反比，所以振荡频率受此限制不能太高，而在流动控制以及混合增强领域，高频激励能产生更好的效果，因此，亟需开发一种无须反馈管道也能产生自激振荡的高频流体振荡器。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无反馈管道的流体振荡器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种无反馈管道的流体振荡器，包括振荡器主体以及设置在振荡器主体内依次连通的整流段、收缩段、反应腔室、喉部和扩散形喷嘴，所述的整流段与后端的外部压力流源连通，所述的反应腔室的截面呈前大后小且以前后方向的中线上下对称的葫芦形，所述的扩散形喷嘴沿程的壁面进行弧形扩充后呈喇叭状。
所述的反应腔室由通过缩颈的方式相互连通的前腔和后腔构成。
所述的反应腔室前腔上侧壁与后腔上侧壁均为弧面，且前腔上侧壁的弧度小于反后腔上侧壁的弧度，所述的前腔在前后方向上的长度大于后腔的长度。
所述的收缩段由平滑连接的后端收缩部与前端直管部组成，所述的前端直管部的轴线与中线重合。
所述的后端收缩部与整流段出口平滑连接，所述的前端直管部与前腔入口平滑连接。
该流体振荡器在进行流体振荡时，主射流将反应腔室分为相互连通的上下两部分，并分别在每部分对应的前腔空间和后腔空间内形成液体漩涡。
上部分的前腔空间与下部分的后腔空间内的液体漩涡方向相同，上部分的后腔空间与下部分的前腔空间内的液体漩涡方向相同，并且上部分的前腔空间与后腔空间内的液体漩涡方向相反。
所述的扩散形喷嘴的侧壁形状与主射流在两个准稳态处的出射轨迹相同，用以增强振荡范围。
所述的扩散形喷嘴为从40度到180度的渐扩型喷嘴。
由多个无反馈管道的流体振荡器进行排布形成流体振荡器阵列，以提高流体振荡器阵列在单位面积上的布置的密度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明相对于传统的流体振荡器而言，去掉了两侧的反馈通道，代之以两个腔体，将主流两侧壁面扩充为四个弧形，并且在喷嘴出口处利用康达效应设计成喇叭状，从而取得了如下优点：
1、结构简单，有利于降低加工难度。
2、无需反馈管道，体积小，有利于更紧凑的振荡器阵列的布置，使得单位空间的控制效果得以强化。
3、频率高，使得该振荡器可用的流动控制场合更为广泛，并有利于强化换热和混合效果。
4、更均匀的周期性横向射流振荡，增强了流体的质量、动量和能量传递，增强了掺混和流动控制效果。
附图说明
图1为现有的基于反馈管道的流体振荡器结构图。
图2为本发明的基于自激振荡的无反馈管道的振荡器的结构示意图。
图3为流动显示实验，其中，图(3a)为半个周期内4个瞬时的水流动瞬态场，图(3b)为瞬态场的时间平均结果。
图4为现有振荡器和本发明振荡器的主频比较结果，其中，图(4a)为现有振荡器的测量结果，图(4b)为本发明振荡器的测量结果，图(4c)为主频绘制对比图。
图中标记说明：
1、整流段，2、收缩段，3、反应腔室，4、喉部，5、扩散形喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图2所示，本发明提供一种无反馈管道的流体振荡器，其原理为：
带有一定压力的流体从整流段1处进入增强均匀性，经过收缩段2提高速度后进入反应腔室3与漩涡相互作用，从而使得射流柱发生弯曲，在通过喉部4后，射流经由扩散形喷嘴5进入到外部大空间中成为自由射流。
本发明的结构设计相比于现有直射流喷嘴的不同之处在于，将现有直射流喷嘴沿程的壁面进行弧形扩充，从而在主流与壁面之间形成4个可供漩涡生成、增长和耗散的空间，喷嘴出口利用射流的附壁效应(康达效应)，设计成喇叭状，进一步增强射流的振荡范围。
本发明设计的理论基础来自于多漩涡构成的涡系的不稳定性，理论上，在同一时刻，涡系中的不同漩涡强度不一样，因此大小也不一样，这样对射流的挤压作用也不一样，正是这种挤压力的差别造成了射流的的偏转，具体的涡系之间的相互作用则需采用高时间分辨率的粒子图像测速(PIV)技术来确定。
经流动显示实验发现，该结构能够实现任意流量下稳定、连续的振荡，如图(3a)所示，其为半个周期内4个瞬时的水的流动显示实验的照片，可以看到，流体在空间中形成了类似于正弦波的脉线。图(3b)是瞬态照片的时间平均结果，可以看到，该振荡器的振荡角大约为50度，与现有振荡器差别不大。
热线实验测量的振荡频率云图结果如图4所示，其中，图(4a)表示现有振荡器的测量结果，图(4b)表示新型振荡器的测量结果。可以看到对于两者，振荡频率均随着流量的增加而增加。另外，现有振荡器由于同时捕捉到了基频和多个倍频，使得它的振荡波形更加接近于方波。而新型振荡器由于只捕捉到了一个基频(虽然频带较宽)，所以振荡的波形更加类似于正弦波，这也和水的流动显示实验结果相互印证，振荡波形上的差别使得新型振荡器的射流动量在空间上的分布更加均匀，因而能够在流动控制和混合增强领域具有技术优势，图(4c)是将图(4a)和(4b)中的主频绘制到了一个图中，可以看到，新型振荡器的振荡频率大约是现有振荡器的1.8～3倍，从而实现了发展高频振荡器的初衷。

Claims (10)

1.一种无反馈管道的流体振荡器，其特征在于，包括振荡器主体以及设置在振荡器主体内依次连通的整流段(1)、收缩段(2)、反应腔室(3)、喉部(4)和扩散形喷嘴(5)，所述的整流段(1)与后端的外部压力流源连通，所述的反应腔室(3)的截面呈前大后小且以前后方向的中线上下对称的葫芦形，所述的扩散形喷嘴(5)沿程的壁面进行弧形扩充后呈喇叭状。
2.根据权利要求1所述的一种无反馈管道的流体振荡器，其特征在于，所述的反应腔室(3)由通过缩颈的方式相互连通的前腔和后腔构成。
3.根据权利要求2所述的一种无反馈管道的流体振荡器，其特征在于，所述的反应腔室(3)前腔上侧壁与后腔上侧壁均为弧面，且前腔上侧壁的弧度小于反后腔上侧壁的弧度，所述的前腔在前后方向上的长度大于后腔的长度。
4.根据权利要求2所述的一种无反馈管道的流体振荡器，其特征在于，所述的收缩段(2)由平滑连接的后端收缩部与前端直管部组成，所述的前端直管部的轴线与中线重合。
5.根据权利要求4所述的一种无反馈管道的流体振荡器，其特征在于，所述的后端收缩部与整流段(1)出口平滑连接，所述的前端直管部与前腔入口平滑连接。
6.根据权利要求2所述的一种无反馈管道的流体振荡器，其特征在于，该流体振荡器在进行流体振荡时，主射流将反应腔室(3)分为相互连通的上下两部分，并分别在每部分对应的前腔空间和后腔空间内形成液体漩涡。
7.根据权利要求6所述的一种无反馈管道的流体振荡器，其特征在于，上部分的前腔空间与下部分的后腔空间内的液体漩涡方向相同，上部分的后腔空间与下部分的前腔空间内的液体漩涡方向相同，并且上部分的前腔空间与后腔空间内的液体漩涡方向相反。
8.根据权利要求1所述的一种无反馈管道的流体振荡器，其特征在于，所述的扩散形喷嘴(5)的侧壁形状与主射流在两个准稳态处的出射轨迹相同，用以增强振荡范围。
9.根据权利要求1所述的一种无反馈管道的流体振荡器，其特征在于，所述的扩散形喷嘴(5)为从40度到180度的渐扩型喷嘴。
10.一种无反馈管道的流体振荡器，其特征在于，由多个无反馈管道的流体振荡器进行排布形成流体振荡器阵列，以提高流体振荡器阵列在单位面积上的布置的密度。
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