CN113019789A - 一种脱壁式反馈射流振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于压力气体的射流控制技术领域，通过基于气动原理的流体绕曲面脱壁射流的方式，用所产生的气动原理与无运动部件的流体振荡器相结合，设计一种脱壁式反馈射流振荡器。曲壁碰撞射流具有很高灵敏度，主射流附壁于圆形曲壁并在中心位置碰撞脱壁的射流，通过反馈管引回到射流上游的脱壁控制口形成脱壁流。脱壁流通入圆形曲壁一侧，使那一侧的附壁主射流提前脱壁，从而破坏主射流的稳定附壁状态，使两侧绕壁射流的碰撞点向脱壁侧转移，使两侧碰撞主射流切换到脱壁一侧。在脱壁一侧的射流接收管和反馈管连接在对称侧脱壁控制口，射流不断重复上述过程，产生周期性的振荡。本发明已证明可用于各种空气动力学和化学工程过程的强化或控制流体中。

Description

一种脱壁式反馈射流振荡器
技术领域
本发明涉及一种脱壁式反馈射流振荡器，是一种均匀气体分配所必备的特种装备，属于压力气体的射流工程与气体膨胀制冷技术领域。
背景技术
射流部件无电源或其他能量供给单位，是以流体为工作介质且本身无可动部分的流体控制装置，具有可靠性好、体积小、功率大、成本低等优点，并能适应强辐射、强腐蚀、强振动和强冲击等恶劣工作环境，证明可以在极高的温度下工作，即使是在极其恶劣的环境中。此外，它们可能具有几乎无限的使用寿命(没有运动机械部件)，有自清洁功能，甚至可以抵抗极端的机械冲击和振动，在小型化生产中也可以降低成本。可成功的应用在发生火灾危险性高的地方，例如化工石油行业，航空航天、核工业等领域的某些控制系统。同时附壁射流具有可切换特性，可以实现流动控制和流体测量，因此射流元件也被应用于石油开采的液压激振和射流流量计等方面。
静止式气波制冷机中的附壁振荡器便是一种双稳式附壁射流元件，其利用射流的卷吸特性和康达(Coanda)效应，使射流发生附壁振荡，之后依次间隔地射入各振荡管内，对管内气体做功达到制冷的目的。传统形式的附壁振荡器均为自激励式，即依靠元件内部流体的流动来诱导主射流发生振荡。根据元件内部振荡线路的不同，自激励式附壁振荡器可分为反馈式(中国专利200810011575.8)、音波式(中国专利202010204969.6)等形式。现有附壁式自激励振荡器，虽然能稳定振荡但因为附壁流动时间远大于射流切换时间，无法满足多管式射流振荡器的射流时均性要求，故本发明实现脱壁式反馈振荡，解决了上述振荡问题。
无机械运动性质射流振荡器，这种新颖的流体绕曲面脱壁射流的方式是基于气动原理的操作，到目前为止还没有系统的研究。通过对这一原理的研究表明，曲壁碰撞射流具有很高的灵敏度，用所产生的气动原理与无运动部件的流体振荡器相结合，设计出脱壁式反馈射流振荡器。这种无运动的射流振荡装置最近在一些应用中变得很流行，其中的射流振荡器已经证明可用于各种空气动力学和化学工程过程的强化(气泡产生、强化传热)或控制流体(气流分离、飞机机翼或涡轮叶片湍流问题)。无运动部件振荡发生器与静止式气波制冷机配合使用，通过交变气压作用处理非常危险的液体(极热、腐蚀性和或放射性)。
发明内容
为解决上述振荡时均性问题，本发明提供一种无运动元件、结构简单、操作维护方便，以及无需消耗外部能源、使用寿命长、适合于处理高压气体介质的脱壁式反馈射流振荡器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
脱壁式反馈射流振荡器，包括振荡器机体13和机体上盖14，振荡器机体13上开有腔体，腔体沿振荡器机体13的中轴线左右对称，机体上盖14盖在振荡器机体13上，形成封闭腔体；机体上盖14上设有多个通孔，用于进气管1、左反馈管12和右反馈管11的穿过；
振荡器机体13的腔体包括入口段、振荡腔7和出口段，入口段通过进气管1将高压气体导入振荡器机体13中；入口段与振荡腔7相交接的位置沿中轴线放置一个曲壁类圆柱体射流附壁结构；所述的曲壁类圆柱体射流附壁结构一体成型，包括三部分，中间为方体结构，两侧为半圆柱体，曲壁类圆柱体射流附壁结构的上下表面分别与振荡器机体13和机体上盖14的表面固定连接且密封，曲壁类圆柱体射流附壁结构的两个半圆柱体分别位于入口段内和振荡腔7内；曲壁类圆柱体射流附壁结构的左右两侧为直线边，直线边与振荡器机体13的腔体的内壁之间形成的空隙，分别作为左侧喷头2和右侧喷头3；曲壁类圆柱体射流附壁结构中位于振荡腔7内的半圆柱体上对称开有两个通孔，且通孔侧面开有缝隙直至半圆柱体边缘，使通孔侧面与振荡腔7连通，两个通孔分别称为左侧脱壁口4和右侧脱壁口5；且两个侧面缝隙与中轴线的夹角为45°。
振荡腔7尾端沿振荡器机体13的腔体的中轴线对称布置多个前端为锐角的分流劈，相邻两个分流劈之间的空隙作为出气口8，其中，中间的两个出气口的尾端分别安装左接收管9和右接收管10，左接收管9和右接收管10分别通过左反馈管12和右反馈管11连接至右侧脱壁口5和左侧脱壁口4的顶端。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的振荡器具有可靠性好、体积小、功率大、成本低等优点，并能适应强辐射、强腐蚀、强振动和强冲击等恶劣工作环境，也可在极高的温度下工作。
(2)本发明的振荡器具有几乎无限的使用寿命(没有运动机械部件)，有自清洁功能，甚至可以抵抗极端的机械冲击和振动，在小型化生产中也可以降低成本。
(3)本发明的振荡器能应用在发生火灾危险性高的地方，例如化工石油行业，航空航天、核工业等领域的某些控制系统。
附图说明
图1(a)和图1(b)是本发明脱壁式反馈射流振荡器的装置原理图，其中，图1(a)为射流通过反馈管之前的状态，图1(b)为射流通过反馈管之后的状态。
图2是本发明的脱壁式反馈射流振荡器的主视图。
图3是本发明的脱壁式反馈射流振荡器的三维示意图。
图4是曲壁类圆柱体射流附壁结构的示意图。
图中：1进气管，2左侧喷头，3右侧喷头，4左侧脱壁口，5右侧脱壁口，6圆形曲壁，7振荡腔，8出气口，9左接收管，10右接收管，11右反馈管，12左反馈管，13脱壁式反馈射流振荡器机体，14机体上盖。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
由于静止式制冷机不可能由外部提供周期性的扰动源，故必须像电子振荡电路那样，需要进入静止式制冷机的气体能自激励产生振荡射流。本发明采用圆柱形曲面流道喷头与反馈管所连接的曲面控制口共同作用改变曲面射流脱壁点及碰撞方向、具有无稳态自激励特性的脱壁式反馈振荡射流发生器，作为本发明的射流分配器。
本发明的振荡射流发生器，对应实现脱壁振荡的方法是：改变两侧主射流在圆形曲壁流道上脱壁点，使两侧射流碰撞汇合点改变。具体的实施结构是采用在较宽的方形射流喷嘴中心位置，放置一个曲壁类圆柱体射流附壁结构，圆柱半圆一侧在喷嘴外侧，圆柱上下两表面与喷嘴封闭，并使圆柱左右两侧与原喷嘴形成两个大小一致的喷头，即为两个主射流喷嘴。当通入流体，射流会从左右两侧喷头射出并附壁与外侧半圆圆柱，在圆柱下方中心位置进行碰撞汇合进入振荡腔内。
本发明的脱壁式反馈射流振荡器如图2和图3所示，包括振荡器机体13和机体上盖14，采用两层层叠加粘合密封螺栓固定结构；振荡器机体13和机体上盖14的材质为亚克力板或金属，通过激光切割加工，且在振荡射流出口矩形截面位置缓慢过渡到圆截面。
振荡器机体13上开有腔体，腔体沿振荡器机体13的中轴线左右对称，机体上盖14盖在振荡器机体13上，形成封闭腔体；机体上盖14上设有多个通孔，用于进气管1、左反馈管12和右反馈管11的穿过；
振荡器机体13的腔体包括入口段、振荡腔7和出口段，入口段通过进气管1将高压气体导入振荡器机体13中；入口段与振荡腔7相交接的位置沿中轴线放置一个曲壁类圆柱体射流附壁结构；所述的曲壁类圆柱体射流附壁结构一体成型，包括三部分，中间为方体结构，两侧为半圆柱体，曲壁类圆柱体射流附壁结构的上下表面分别与振荡器机体13和机体上盖14的表面固定连接且密封，曲壁类圆柱体射流附壁结构的两个半圆柱体分别位于入口段内和振荡腔7内；曲壁类圆柱体射流附壁结构的左右两侧为直线边，直线边与振荡器机体13的腔体的内壁之间形成的空隙，分别作为左侧喷头2和右侧喷头3，曲壁类圆柱体射流附壁结构中的半圆柱体的直径与左侧喷头2和右侧喷头3的宽度比为5:1～20:1；曲壁类圆柱体射流附壁结构中位于振荡腔7内的半圆柱体上对称开有两个通孔，且通孔侧面开有缝隙直至半圆柱体边缘，使通孔侧面与振荡腔7连通，两个通孔分别称为左侧脱壁口4和右侧脱壁口5；且两个侧面缝隙与中轴线的夹角为45°。
振荡腔7尾端沿振荡器机体13的腔体的中轴线对称布置多个前端为锐角的分流劈，相邻两个分流劈之间的空隙作为出气口8，其中，中间的两个出气口的尾端分别安装左接收管9和右接收管10，左接收管9和右接收管10分别通过左反馈管12和右反馈管11连接至右侧脱壁口5和左侧脱壁口4的顶端。右反馈管11和左反馈管12的长度根据实际需求确定但两者长度需相同，两端通过管接头分别与接收管和脱壁口连接，反馈管的作用是接收从两侧主射流附壁于圆形曲壁6并在中心位置碰撞脱壁的射流，通过反馈管引回到射流上游的脱壁口形成脱壁流并形成回路。
本发明的工作原理如图1和图4所示，高压气体从进气管1进入入口段，然后从大小一致的左侧喷头2和右侧喷头3射出形成主射流，主射流附壁于曲壁类圆柱体射流附壁结构中位于振荡腔7内的半圆柱体的圆形曲壁6上，在半圆柱体下方中心位置进行碰撞汇合进入振荡腔7；当流体汇合而下时，流体在振荡腔7内会有轻微的流体卷吸效应，不均匀进入在曲壁类圆柱体射流附壁结构下方中心位置的对称的左接收管9和右接收管10中，再通过左反馈管12和右反馈管11将流体引回到射流上游的右侧脱壁口5和左侧脱壁口4形成脱壁流，反馈管内的流体称为脱壁流；由于进入反馈管的流体不均匀，故到脱壁口流量增大，使脱壁口流量大的一侧的附壁主射流提前脱壁，从而破坏主射流的稳定附壁状态，使两侧绕壁射流(射流附壁于圆形曲壁称为绕壁射流)的碰撞点向脱壁侧转移，并使碰撞主射流切换到脱壁一侧，使流体进入脱壁侧的出气口8，在脱壁侧的第一个出气口8依次通过接收管和反馈管连接在另一侧的脱壁口，射流不断重复上述过程，产生周期性的振荡。

Claims (5)

1.脱壁式反馈射流振荡器，其特征在于，所述的脱壁式反馈射流振荡器包括振荡器机体(13)和机体上盖(14)，振荡器机体(13)上开有腔体，腔体沿振荡器机体(13)的中轴线左右对称，机体上盖(14)盖在振荡器机体(13)上，形成封闭腔体；机体上盖(14)上设有多个通孔，用于进气管(1)、左反馈管(12)和右反馈管(11)的穿过；
振荡器机体(13)的腔体包括入口段、振荡腔(7)和出口段，入口段通过进气管(1)将高压气体导入振荡器机体(13)中；入口段与振荡腔(7)相交接的位置沿中轴线放置一个曲壁类圆柱体射流附壁结构；所述的曲壁类圆柱体射流附壁结构一体成型，包括三部分，中间为方体结构，两侧为半圆柱体，曲壁类圆柱体射流附壁结构的上下表面分别与振荡器机体(13)和机体上盖(14)的表面固定连接且密封，曲壁类圆柱体射流附壁结构的两个半圆柱体分别位于入口段内和振荡腔(7)内；曲壁类圆柱体射流附壁结构的左右两侧为直线边，直线边与振荡器机体(13)的腔体的内壁之间形成的空隙，分别作为左侧喷头(2)和右侧喷头(3)；曲壁类圆柱体射流附壁结构中位于振荡腔(7)内的半圆柱体上对称开有两个通孔，且通孔侧面开有缝隙直至半圆柱体边缘，使通孔侧面与振荡腔(7)连通，两个通孔分别称为左侧脱壁口(4)和右侧脱壁口(5)；且两个侧面缝隙与中轴线的夹角为45°；
振荡腔(7)尾端沿振荡器机体(13)的腔体的中轴线对称布置多个前端为锐角的分流劈，相邻两个分流劈之间的空隙作为出气口(8)，其中，中间的两个出气口的尾端分别安装左接收管(9)和右接收管(10)，左接收管(9)和右接收管(10)分别通过左反馈管(12)和右反馈管(11)连接至右侧脱壁口(5)和左侧脱壁口(4)的顶端；
高压气体从进气管(1)进入入口段，然后从大小一致的左侧喷头(2)和右侧喷头(3)射出形成主射流，主射流附壁于曲壁类圆柱体射流附壁结构中位于振荡腔(7)内的半圆柱体的圆形曲壁6上，在半圆柱体下方中心位置进行碰撞汇合进入振荡腔(7)；当流体汇合而下时，流体在振荡腔(7)内会有流体卷吸效应，不均匀进入在曲壁类圆柱体射流附壁结构下方中心位置的对称的左接收管(9)和右接收管(10)中，再通过左反馈管(12)和右反馈管(11)将流体引回到射流上游的右侧脱壁口(5)和左侧脱壁口(4)形成脱壁流，反馈管内的流体称为脱壁流；由于进入反馈管的流体不均匀，故到脱壁口流量增大，使脱壁口流量大的一侧的附壁主射流提前脱壁，从而破坏主射流的稳定附壁状态，使两侧绕壁射流的碰撞点向脱壁侧转移，并使碰撞主射流切换到脱壁一侧，使流体进入脱壁侧的出气口(8)，在脱壁侧的第一个出气口(8)依次通过接收管和反馈管连接在另一侧的脱壁口，射流不断重复上述过程，产生周期性的振荡。
2.根据权利要求1所述的脱壁式反馈射流振荡器，其特征在于，所述的振荡器机体(13)和机体上盖(14)，采用两层层叠加粘合密封螺栓固定结构，材质为亚克力板或金属，通过激光切割加工，且在振荡射流出口矩形截面位置缓慢过渡到圆截面。
3.根据权利要求1或2所述的脱壁式反馈射流振荡器，其特征在于，所述的曲壁类圆柱体射流附壁结构中的半圆柱体的直径与左侧喷头(2)和右侧喷头(3)的宽度比为5:1～20:1。
4.根据权利要求1或2所述的脱壁式反馈射流振荡器，其特征在于，所述的右反馈管(11)和左反馈管(12)的长度根据实际需求确定但两者长度需相同，两端通过管接头分别与接收管和脱壁口连接。
5.根据权利要求3所述的脱壁式反馈射流振荡器，其特征在于，所述的右反馈管(11)和左反馈管(12)的长度根据实际需求确定但两者长度需相同，两端通过管接头分别与接收管和脱壁口连接。
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