CN113083535A - 双剪切式空化喷嘴 - Google Patents

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李登
罗文悦
姚致远
熊杰
巫世晶
王晓笋
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B05B1/34—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl

Abstract

本发明提供一种双剪切式空化喷嘴，包括：上喷嘴，其上沿轴向设置有第一空腔以及第一通孔；内套筒，套设在上喷嘴上，其与上喷嘴之间形成有第二空腔；外套筒，套设在上喷嘴的外壁上且其将内套筒包裹在其内侧并与内套筒之间形成第三空腔；混合腔，其卡紧在内套筒出口处；下喷嘴，其穿过外套筒伸入至混合腔中，下喷嘴与混合腔之间形成有与第三空腔连通的第五空腔，在下喷嘴中沿其轴向设置有喷射孔，在下喷嘴背离混合腔的端侧侧壁上设置有第二通孔以及与所述第二通孔连通的环形内腔体，该环形内腔体与喷射孔互不连通；以及连接管，用于连接第二空腔和第二通孔。本发明在射流经过喷嘴时发生多次剪切，产生更多的空泡，提升空化效果和作业效率。

Description

双剪切式空化喷嘴
技术领域
本发明属于水射流的技术领域，具体涉及一种双剪切式空化喷嘴。
背景技术
空化射流是近些年发展起来的一种新型射流技术，通过人为的方式在射流中诱发大量空泡，利用气泡溃灭时产生的瞬间高温高压以及压缩波和微射流来增强射流的打击力，从而提高射流的作用效率，由于清洁、高效、低廉等特点，广泛应用于各种工业领域，在国民经济建设中发挥着重要作用。
空泡是由高速高压射流剪切形成，更多的空泡也意味着更好的作业效果。在研究空化空泡形成过程中发现，在淹没条件下射流空化性能优于自由射流中的空化性能。也因此，许多研究人员对于喷嘴在淹没条件下的射流性能进行了研究，加剧射流与伴随流之间剪切作用，从而形成更加严重的空化现象。但是目前的空化喷嘴的一般只能发生一次剪切作用，从而使得喷嘴的空化效果不尽如人意，因此也就无法产生更丰富的空泡。因此，改进现有的喷嘴结构以产生更优异的空化现象对水射流技术的推广和应用有着重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种双剪切式空化喷嘴，该喷嘴可以在射流经过喷嘴时发生多次剪切，达到更好的剪切作用，产生更多的空泡，提升空化效果和作业效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种双剪切式空化喷嘴，包括上喷嘴、混合腔、内套筒、外套筒、下喷嘴以及连接管；其中，
上喷嘴，在其上沿轴向设置有供流体进入和流出的第一空腔，在所述上喷嘴的侧壁上还设置与所述第一空腔连通的第一通孔；
内套筒，其套设在所述上喷嘴靠近流出端的外壁上，所述内套筒与所述上喷嘴的流出端端面之间形成有与所述第一空腔连通的第二空腔，在所述内套筒上还设置有与所述第二空腔连通且供流体流出的出口；
外套筒，其套设在所述上喷嘴的外壁上且其将所述内套筒包裹在其内侧，所述外套筒与所述内套筒之间形成第三空腔，所述第三空腔与所述第一通孔连通；
混合腔，其卡紧在所述出口处，所述混合腔内设置有供流体进出且与所述第三空腔连通的第四空腔，所述混合腔与所述上喷嘴的流出端端面之间具有间距；
下喷嘴，其穿过所述外套筒伸入至所述混合腔中与所述第四空腔连通，其中，所述下喷嘴的外侧壁与所述混合腔的内侧壁之间具有间距从而形成第五空腔且所述第五空腔与所述第三空腔连通，在所述下喷嘴中沿其轴向设置有与所述第四空腔连通的喷射孔，喷射孔、第四空腔以及第一腔体的流出端对应设置，且在所述下喷嘴背离混合腔的端侧侧壁上设置有第二通孔以及与所述第二通孔连通的环形内腔体，该环形内腔体与喷射孔互不连通；以及
连接管，其用于连接所述第二空腔和所述第二通孔，所述连接管的一端依次穿过所述外套筒、所述内套筒与所述第二空腔连通，所述连接管的另一端伸入至所述第二通孔中与所述环形内腔体连通。
进一步地，所述第一空腔包括依次相连的第一腔体、第二腔体和第三腔体，其中，所述第一腔体和所述第三腔体为圆柱形腔体，所述第二腔体为圆锥形腔体，所述第一腔体的内径与第二腔体一侧的内径相同，所述第三腔体的内径与第二腔体另一侧的内径相同，且所述第二腔体的内径随着靠近所述第三腔体逐渐减小。
进一步地，所述第一通孔与所述第二腔体连接。
进一步地，所述第二腔体的角度为12-18°。
进一步地，所述第一通孔向上喷嘴流出端的方向倾斜设置。
进一步地，在所述上喷嘴上与所述混合腔对应的端面上设置多组弧形凹槽，每组弧形凹槽包括沿第一空腔轴线对称的两个弧形凹槽，混合腔的第四腔体的内径小于对称的两个所述弧形凹槽内壁之间的最大间距。
进一步地，在所述混合腔远离所述上喷嘴的一端设置有向上喷嘴方向延伸的锥形第三通孔，对应地，所述下喷嘴包括与所述第三通孔形状配合的流入部以及与所述流入部连接的喷射部，所述喷射孔贯穿所述流入部和所述喷射部，所述流入部配合地设置在所述第三通孔中且所述流入部的外壁与所述第三通孔的内壁之间具有间距从而使得两者之间形成所述第五空腔。
进一步地，所述喷射孔为锥形，其内径随着远离所述混合腔逐渐增大。
进一步地，所述第一空腔、所述第二空腔、第四空腔以及喷射孔的轴线重合。
进一步地，所述第一空腔流出端的内径小于所述喷射孔流入端的内径。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明中高速高压射流经过喷嘴后发生了两次射流与伴随流的剪切，第一次发生在从第一通孔分流的射流回流到混合腔4内与从第三腔体中喷射出来的高速主射流发生第一次剪切，形成第一次空化，第二次发生在下喷嘴的出口处，在下喷嘴的出口处从环形内腔体喷出的射流与喷射孔中射出的高速主射流发生第二次剪切，两次的剪切作用能能更大程度的产生空泡，空化强度高，空泡溃灭更剧烈，空化效应更强；同时本发明分流聚集在第二空腔和环形内腔体内，空间相对较大，能更好的降低伴随流压力和流速，形成更好的剪切效果。
附图说明
图1为本发明实施例喷嘴的整体结构示意图；
图2为本发明实施例上喷嘴的结构示意图；
图3是本发明实施例外套筒的结构示意图；
图4是本发明实施例内套筒的结构示意图；
图5是本发明实施例混合腔的结构示意图；
图6是本发明实施例下喷嘴的结构示意图；
图7是本发明实施例工作时内部流场示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系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，并不是指示或暗示所指的装置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。
如图1所示，本发明公开了一种双剪切式空化喷嘴，包括上喷嘴1、内套筒3、外套筒2、混合腔4、下喷嘴5以及连接管6。其中，见图2，在上喷嘴1中心位置上沿轴向设置有供射流进入和流出的第一空腔，为了提高进入第一空腔中的射流的流速和压力，第一空腔包括依次相连的第一腔体10、第二腔体11和第三腔体12，其中，第一腔体10和第三腔体12为圆柱形腔体，第二腔体11为圆锥形腔体，第一腔体10的内径与第二腔体11一侧的内径相同，第三腔体12的内径与第二腔体11另一侧的内径相同，且第二腔体11的内径随着靠近第三腔体12逐渐减小，这样当射流从第一腔体10中进入到上喷嘴1中后，经过第二腔体12的收缩，其流速和压力被提高，从而有利于后续的剪切，进而有利于后续的空化。而为了提高收缩效果，第二腔体11的角度设置为12-18°。此外，在上喷嘴1的侧壁上沿周向还等间隔设置有多个第一通孔12，该多个第一通孔12均与第二腔体11连通，且该多个第一通孔12均倾斜向下设置。内套筒3、外套筒2分别套接在上喷嘴1上，其中，内套筒3套接在上喷嘴1的的下部，外套筒2套接在上喷嘴1的中部，套接完成后外套筒2将内套筒2包裹在其内测。为了便于内套筒3、外套筒2与上喷嘴1之间的套接，在上喷嘴1的外壁上沿高度方向依次设置两个台阶面，对应的，如图3和图4所示，在内套筒3和外套筒2的顶部也设置有台阶面，其中，内套筒3对应地套接在上喷嘴1下部的台阶面上，外套筒2套接在上喷嘴1中部的台阶面上，从而使得外套筒2和内套筒3分别与上喷嘴1紧密连接。连接完成后，内套筒3与上喷嘴1的底面之间有形成与第一空腔连通的第二空腔30，且外套筒2与内套筒1之间形成第三空腔20，第三空腔20与第一通孔13连通。
在内套筒3背离上喷嘴1的一侧设置有出口31，混合腔4的底部卡设在该出口31处以使得两者形成紧配合连接，混合腔4的顶部与上喷嘴1的底面之间具有间距从而使得混合腔4内射流可从该间距中流出。见图5，混合腔4内设置有供射流进出的第四空腔40，而在混合腔4的底部还设置有向上延伸的锥形第三通孔41，该第三通41孔与第四空腔40连通。为了尽量减小主射流流体的压力和能量损失，在喷嘴1上与混合腔4对应的底面上设置多组弧形凹槽14，每组弧形凹槽14包括沿第一空腔轴线对称的两个弧形凹槽14，混合腔4的第四腔体40的内径小于对称的两个弧形凹槽14内壁之间的最大间距，从而使得从混合腔4中喷射出来的射流均撞击在弧形凹槽14上。下喷嘴5穿过外套筒2的底部伸入至混合腔4的第三通孔41中，具体地，见图6，下喷嘴5包括与锥形第三通孔41形状配合的流入部50、与流入部50连接的喷射部51以及贯穿流入部50和喷射部51的喷射孔52，流入部50穿过外套筒2伸入至第三通孔41中且其与第四空腔40连接，流入部50的外径小于第三通孔41的内径以使得两者之间具有间隙从而形成供射流流过的第五空腔42。此外，为了保证射流顺利进入下一段，第三腔体12的内径小于喷射孔52靠近混合腔4一端的内径。
为了增强剪切作用而提高空化效果，在下喷嘴5背离混合腔4一侧的侧壁上设置有第二通孔53，该第二通孔53设置在喷射部51上，且在喷射部51上还设置有与第二通孔53连通的环形内腔体54，该环形内腔体54与喷射孔52互不连通。连接管6的一端依次穿过外套筒2、内套筒3伸入至第二空腔30中，连接管6的另一端伸入至第二通孔53中从而使得连接管6将第二空腔30和环形内腔体54连通，其中，将连接管6与外套筒2和内套筒3的连接处进行密封，防止流体的渗漏。此外，为了进一步加强剪切效果，喷射孔53设置为锥形，且其内径随着远离混合腔4逐渐增大。
在应用本实施例的双剪切喷嘴时，如图7所示，高速高压射流经上喷嘴1的第一空腔进入，在上喷嘴1的第二空腔11处分流，一部分射流直接通过第三空腔12进入混合腔4中，另一部分射流通过上喷嘴1壁面上均匀分布的第一通孔13进入外套筒2与内套筒3配合形成的第三空腔20中，再从第三空腔20经过第五空腔42进入到混合腔4中的第四空腔40中，射流的流速和压力在这个过程中被降低，在混合腔4内该部分的射流与从第三腔体12中喷射出来的高速主射流发生第一次剪切，形成第一次空化。而由于射流的扩散作用和剪切作用，第四空腔40中一部分直接进入下喷嘴5中，另一部分射流与上喷嘴1底面的弧形凹槽14碰撞后通过连接管6进入下喷嘴5的环形内腔体51后喷出，且其在出口处与喷射孔52中射出的高速主射流发生第二次剪切。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双剪切式空化喷嘴，其特征在于，包括上喷嘴、混合腔、内套筒、外套筒、下喷嘴以及连接管；其中，
上喷嘴，在其上沿轴向设置有供流体进入和流出的第一空腔，在所述上喷嘴的侧壁上还设置与所述第一空腔连通的第一通孔；
内套筒，其套设在所述上喷嘴靠近流出端的外壁上，所述内套筒与所述上喷嘴的流出端端面之间形成有与所述第一空腔连通的第二空腔，在所述内套筒上还设置有与所述第二空腔连通且供流体流出的出口；
外套筒，其套设在所述上喷嘴的外壁上且其将所述内套筒包裹在其内侧，所述外套筒与所述内套筒之间形成第三空腔，所述第三空腔与所述第一通孔连通；
混合腔，其卡紧在所述出口处，所述混合腔内设置有供流体进出且与所述第三空腔连通的第四空腔，所述混合腔与所述上喷嘴的流出端端面之间具有间距；
下喷嘴，其穿过所述外套筒伸入至所述混合腔中与所述第四空腔连通，其中，所述下喷嘴的外侧壁与所述混合腔的内侧壁之间具有间距从而形成第五空腔且所述第五空腔与所述第三空腔连通，在所述下喷嘴中沿其轴向设置有与所述第四空腔连通的喷射孔，喷射孔、第四空腔以及第一腔体的流出端对应设置，且在所述下喷嘴背离混合腔的端侧侧壁上设置有第二通孔以及与所述第二通孔连通的环形内腔体，该环形内腔体与喷射孔互不连通；以及
连接管，其用于连接所述第二空腔和所述第二通孔，所述连接管的一端依次穿过所述外套筒、所述内套筒与所述第二空腔连通，所述连接管的另一端伸入至所述第二通孔中与所述环形内腔体连通。
2.根据权利要求1所述的双剪切式空化喷嘴，其特征在于，所述第一空腔包括依次相连的第一腔体、第二腔体和第三腔体，其中，所述第一腔体和所述第三腔体为圆柱形腔体，所述第二腔体为圆锥形腔体，所述第一腔体的内径与第二腔体一侧的内径相同，所述第三腔体的内径与第二腔体另一侧的内径相同，且所述第二腔体的内径随着靠近所述第三腔体逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的双剪切式空化喷嘴，其特征在于，所述第一通孔与所述第二腔体连接。
4.根据权利要求2所述的双剪切式空化喷嘴，其特征在于，所述第二腔体的角度为12-18°。
5.根据权利要求1所述的双剪切式空化喷嘴，其特征在于，所述第一通孔向上喷嘴流出端的方向倾斜设置。
6.根据权利要求1所述的双剪切式空化喷嘴，其特征在于，在所述上喷嘴上与所述混合腔对应的端面上设置多组弧形凹槽，每组弧形凹槽包括沿第一空腔轴线对称的两个弧形凹槽，混合腔的第四腔体的内径小于对称的两个所述弧形凹槽内壁之间的最大间距。
7.根据权利要求1所述的双剪切式空化喷嘴，其特征在于，在所述混合腔远离所述上喷嘴的一端设置有向上喷嘴方向延伸的锥形第三通孔，对应地，所述下喷嘴包括与所述第三通孔形状配合的流入部以及与所述流入部连接的喷射部，所述喷射孔贯穿所述流入部和所述喷射部，所述流入部配合地设置在所述第三通孔中且所述流入部的外壁与所述第三通孔的内壁之间具有间距从而使得两者之间形成所述第五空腔。
8.根据权利要求1所述的双剪切式空化喷嘴，其特征在于，所述喷射孔为锥形，其内径随着远离所述混合腔逐渐增大。
9.根据权利要求1所述的双剪切式空化喷嘴，其特征在于，所述第一空腔、所述第二空腔、第四空腔以及喷射孔的轴线重合。
10.根据权利要求1所述的双剪切式空化喷嘴，其特征在于，所述第一空腔流出端的内径小于所述喷射孔流入端的内径。
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