CN113304678A - 一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置及工作方法 - Google Patents

一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置及工作方法 Download PDF

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王相燚
朱传庆
张嘉麟
贾辰星
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    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N1/04—Friction generators

Abstract

本发明提供一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置，涉及射流增混装置技术领域，所述柔性膜长度控制装置包括底座，所述底座上设置有滑轨，所述滑轨的一端连接有步进电机，所述滑轨上设置有移动柱，所述移动柱上设置有固定孔，所述移动柱的上端连接有第一腔体，所述第一腔体的两侧壁上设置有滑动槽，所述滑动槽与固定孔水平相对，所述第一腔体的一端连接有第二腔体，所述第一腔体和第二腔体内设置有柔性膜片，所述柔性膜片的一端连接有固定柱，所述固定柱由内向外依次通过柔性膜片、滑动槽和固定孔。本发明结合摩擦纳米发电机原理，可以在每次实验过程中都能使薄膜长度调节到薄膜起振点停止，使薄膜拍打频率较高，增混效果明显。

Description

一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置及工作方法
技术领域
本发明涉及射流增混装置技术领域，尤其涉及一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置及工作方法。
背景技术
射流，指流体从管口、孔口、狭缝射出，或靠机械推动，并同周围流体掺混的一股流体流动。控制射流增混可以提高射流卷吸周围物体的能力，使得各反应物之间充分混合，提高化学反应的效率。在燃烧器、流体掺混系统、各类反应器、尾气处理、热交换器和雾化系统等领域具有重要意义。
对于实际工业应用，控制射流增混技术不仅要有效而且要简约，不宜涉及移动部件。现存的几类“混合增强”型自激发(self-excited)射流喷嘴得到发展，其中包括拍打(flip-flop)射流装置、旋进式振荡射流(precessingjet)喷嘴、振荡射流(oscillatingjet)喷嘴和口哨式(whistler)射流喷嘴。
尽管这类自激振荡射流可以显著增加湍流流动的大尺度混合，有利于某些工业应用的混合过程，但是上述装置很难在变动的运行条件下有效地控制射流混合，并使之始终保持在最佳状态。其原因是这些自激装置属于被动型控制装置，缺乏灵活的控制手段，无法经常因工况变动而对射流混合进行有效的优化控制。这些装置还有一个致命的弱点，那就是运行能耗(压力损失)相对较大。这个弱点主要是其固有的几何结构问题造成的。综上所述，有待发明一种具有能在变动的条件下稳定运行的射流增混装置。
发明内容
本发明提供一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置及工作方法，解决了现有射流混增装置无法在变动的条件下稳定运行的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置，包括依次相连的风机，风洞和柔性膜长度控制装置，所述柔性膜长度控制装置包括底座，所述底座上设置有滑轨，所述滑轨的一端连接有步进电机，所述滑轨上设置有移动柱，所述移动柱上设置有固定孔，所述移动柱的上端连接有第一腔体，所述第一腔体的两侧壁上设置有滑动槽，所述滑动槽与固定孔水平相对，所述第一腔体的一端连接有第二腔体，所述第二腔体的上下侧内壁上各设置有一电极，所述电极通过导线与单片机相连，所述第一腔体和第二腔体内设置有柔性膜片，所述柔性膜片的一端连接有固定柱，所述固定柱由内向外依次通过柔性膜片、滑动槽和固定孔。
优选地，所述风洞的输出端处设置有喷口，所述喷口与柔性膜长度控制装置的第二进风口相连。
优选地，所述风洞中部设置有蜂窝装置。
优选地，所述第一腔体与步进电机在所述移动柱的两侧。
优选地，所述固定柱处设置有固定夹片用以夹持柔性膜片。
优选地，所述风机与风洞的第一进风口相连。
优选地，所述柔性膜片为双层FEP(聚四氟乙烯)膜。
一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置的工作方法，基于上述任意一项所述的装置实现，包括以下步骤：
计算机向变频器发出强度调节信号，变频器接收强度调节信号并根据强度调节信号调节风机的电压，使风机产生射流；
风机向风洞发出射流，射流通过喷口喷出；
射流流经柔性膜片，柔性膜片发生振动并上下拍打第二腔体，不断接触第二腔体内的电极；
柔性膜片在拍打过程中转移电荷，产生电信号并通过连接在电极上的导线传向单片机；
单片机读取电信号并控制步进电机移动以改变膜片可拍打的长度，使拍打频率最高，达到增混最佳效果。
本发明的有益效果在于：
本发明相较于以往射流增混的被动控制，结合摩擦纳米发电机原理，可以在每次实验过程中都能使薄膜长度调节到薄膜起振点停止，使薄膜拍打频率较高，增混效果明显；
相比较于商用传感器检测射流速度大小进行调节，使用摩擦纳米发电机反应时间短，调节迅速并且准确；
相比于现有的不同方式的射流增混，如音频共振激励射流，机械式激励射流，自激旋进射流等，使用摩擦纳米发电机射流增混连续控制装置成本低，结构简单，且通过改变膜片的长宽比可适应各种不同的喷嘴，对工况要求较低；
柔性膜片拍打产生的电信号是实时可监测的，没有间断点，通过分析实时拍打情况产生的电信号调节柔性膜长度，从而实现了连续控制。
附图说明
为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明柔性膜长度控制装置结构示意图。
图2为本发明整体装置示意图。
图3为本发明柔性膜长度控制装置主视图。
图4为本发明单片机控制柔性膜长度装置示意图。
图5为本发明风洞主视图。
图6为本发明第一腔体与第二腔体主视图。
图7为本发明第一腔体与第二腔体左视图。
图8为本发明电荷转移示意图。
附图标号说明：
1、柔性膜长度控制装置；2、风机；3、风洞；4、计算机；5、变频器；6、单片机；7、电源；8、A4988模块；11、底座；12、滑轨；13、步进电机；14、移动柱；15、第一腔体；16、滑动槽；17、第二腔体；18、电极；19、柔性膜片；110、固定柱；111、第二进风口；112、固定夹片；31、喷口；32、蜂窝装置；33、第一进风口。
具体实施方式
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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提供一种技术方案：一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置及其工作方法，其装置结构如图2所示，包括依次相连的风机2，风洞3，计算机4和变频器5。风机2与风洞3的第一进风口33相连，风洞3主视图如图5所示。风洞3的输出端处设置有喷口31，风洞3中部设置有蜂窝装置32，喷口与柔性膜长度控制装置1的第二进风口111相连。柔性膜长度控制装置1的结构如图1、图3所示，包括底座11，底座11上设置有滑轨12，滑轨12的一端连接有步进电机13，滑轨12上设置有移动柱14，移动柱14上设置有固定孔，移动柱14的上端连接有第一腔体15，第一腔体15与步进电机13在移动柱的两侧，第一腔体15的两侧壁上设置有滑动槽16，滑动槽16与固定孔水平相对。第一腔体15的一端连接有第二腔体17，第一腔体15与第二腔体17如图5，图6所示。第二腔体17的上下侧内壁上各设置有一电极18，电极18采用铜箔，电极18通过导线与单片机6相连，第一腔体15和第二腔体17内设置有柔性膜片19，柔性膜片19为双层FEP膜，柔性膜片19不断拍打电极18，组成摩擦纳米发电机。柔性膜片19的一端连接有固定柱110。固定柱110处设置有固定夹片112用以夹持柔性膜片19，固定柱110由内向外依次通过柔性膜片19、滑动槽16和固定孔。柔性膜长度控制装置1的电路连接如图4所示，12v电源7为A4988驱动模块8供电，单片机6与A4988驱动模块8相连，驱动模块8与步进电机13相连。
一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置的工作方法，包括以下步骤：
计算机4通过labview程序向变频器5发出强度调节信号，变频器5接收强度调节信号并根据强度调节信号调节风机2的电压，使风机2产生射流；
风机2经变频器5进行控制，向风洞3发出射流，射流通过喷口31喷出；
射流流经柔性膜片19，当射流的速度或雷诺数足够高时，产生空气动力不稳定性，从而形成柔性膜片19颤振，柔性膜片19发生振动并上下拍打第二腔体17，不断接触第二腔体17内的电极18；
柔性膜片19在第二腔体内17内拍打的过程中会反复与电极18接触，使电极18板聚集了大量的电荷。当流场流速不同时柔性膜片19的拍打频率不同，从而导致产生的电信号发生变化。
电信号由导线传出，被单片机6读取,单片机6读取信号后将信号传递给A4988驱动模块8，进而控制步进电机13移动，带动移动杆14移动，从而改变柔性膜片19拍打长度，使拍打频率最高，达到增混最佳效果，当电信号所显示的电压值处于4-5v(单片机6最大读取电压为5v)时，拍打频率最高，达到增混最佳效果。当柔性膜片19拍打达到最大频率时，步进电机13停止运行，此时增混达到最佳状态。
柔性膜片19可在实际应用中改变长宽比以适应不同大小的喷嘴，不同长宽比的柔性膜片19拍打效果不同，柔性膜片19材料也可根据应用场景不同更换。本发明将摩擦纳米发电技术和柔性膜相结合，制作完成了一种智能膜片用于柔性膜拍打频率的传感，并基于传输的频率利用单片机实现对柔性膜长度的调节，最终达到控制射流混合的目的。在工业应用方面具有重要意义。本发明以普通风机为例进行工作介绍，其他类似射流发生及增混过程类似。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置，其特征在于：包括依次相连的风机(2)，风洞(3)和柔性膜长度控制装置(1)，所述柔性膜长度控制装置(1)包括底座(11)，所述底座(11)上设置有滑轨(12)，所述滑轨(12)的一端连接有步进电机(13)，所述滑轨(12)上设置有移动柱(14)，所述移动柱(14)上设置有固定孔，所述移动柱(14)的上端连接有第一腔体(15)，所述第一腔体(15)的两侧壁上设置有滑动槽(16)，所述滑动槽(16)与固定孔水平相对，所述第一腔体(15)的一端连接有第二腔体(17)，所述第二腔体(17)的上下侧内壁上各设置有一电极(18)，所述电极(18)通过导线与单片机(6)相连，所述第一腔体(15)和第二腔体(17)内设置有柔性膜片(19)，所述柔性膜片(19)的一端连接有固定柱(110)，所述固定柱(110)由内向外依次通过柔性膜片(19)、滑动槽(16)和固定孔。
2.根据权利要求1所述的基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置，其特征在于：所述风洞(3)的输出端处设置有喷口(31)，所述喷口与柔性膜长度控制装置(1)的第二进风口(111)相连。
3.根据权利要求1所述的基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置，其特征在于：所述风洞(3)中部设置有蜂窝装置(32)。
4.根据权利要求1所述的基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置，其特征在于：所述第一腔体(15)与步进电机(13)在所述移动柱的两侧。
5.根据权利要求1所述的基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置，其特征在于：所述固定柱(110)处设置有固定夹片(112)用以夹持柔性膜片(19)。
6.根据权利要求1所述的基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置，其特征在于：所述风机(2)与风洞(3)的第一进风口(33)相连。
7.根据权利要求1所述的基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置，其特征在于：所述柔性膜片(19)为双层FEP膜。
8.一种基于柔性膜摩擦纳米发电机的流动控制装置的工作方法，基于权利要求1-7中任意一项所述的装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
计算机(4)向变频器(5)发出强度调节信号，变频器(5)接收强度调节信号并根据强度调节信号调节风机(2)的电压，使风机(2)产生射流；
风机(2)向风洞(3)发出射流，射流通过喷口(31)喷出；
射流流经柔性膜片(19)，柔性膜片(19)发生振动并上下拍打第二腔体(17)，不断接触第二腔体(17)内的电极(18)；
柔性膜片(19)在拍打过程中转移电荷，产生电信号并通过连接在电极(18)上的导线传向单片机(6)；
单片机(6)读取电信号并控制步进电机(13)移动以改变膜片可拍打的长度，使拍打频率最高，达到增混最佳效果。
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