CN113477426A - 周期性新型喷嘴及方法 - Google Patents

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韩东
何纬峰
朱德志
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Abstract

一种周期性新型喷嘴及方法，属于流体力学领域。其特征在于：包括圆柱形筒体，入口，连杆，大弹簧，小弹簧，圆环挡块，中心挡块，第一出口，第二出口。本发明提供一种周期性新型喷嘴及方法，当喷入流体冲击圆环挡块和中心挡块时会分别带动大、小弹簧向上运动，使得喷嘴仅有第一出口工作或第一、第二出口同时工作，由于流体粘性与外界压差，该结构使流体在喷嘴出口形成单涡环或双涡环，并维持环状运动较长时间，在挡块自身重力和弹簧拉力作用下，大小弹簧会分别带动两块挡块向下运动回到初始位置。重复喷射流体，进而形成周期性运动。该周期性新型喷嘴优点在于利用弹簧弹性力作用，实现在出口周期性形成涡环的目的，改善了大多数喷嘴喷出射流的传统模式，使高能流维持环状运动较长距离，减少能量耗散。

Description

周期性新型喷嘴及方法
技术领域
本发明涉及一种周期性新型喷嘴及方法，属于流体力学领域。
背景技术
流体从喷管或孔口中喷出，脱离固体边界的约束，在液体或气体中作扩散流动，称为射流。由于射流能进行动量、热量和质量传递，广泛应用于水力发电、农田喷灌、人工喷泉中。然而，普通射流存在大量的能量损失，如何减少该损失成为一重要的节能话题。本专利中，弹簧在力的作用下，会发生形变作用，从而带动重物运动，与其他带动重物周期性运动的方法相比，操作更为简便。由流体力学相关知识得出，实际生活中的流体是具有粘性的，在粘性及压差的作用下，喷出的流体会卷吸空气，产生涡环现象，涡环会使流体束缚在其核心区域，可以减少核心区域与周围静止空气间的摩擦，使涡环能够在不减损质量和动能的情况下保持原有形状，运动较长时间，其运动的距离也更远。
发明内容
本发明的目的在于提供一种周期性新型喷嘴及方法。该喷嘴的优点是利用弹簧弹性力作用，在出口更为简便地实现周期性形成涡环的目的，改善了大多数喷嘴喷出直线射流的传统模式，并维持环状运动较长时间，使高能流维持环状运动较长距离，减少能量耗散。
所述一种周期性新型喷嘴，其特征在于：包括圆柱形筒体，圆柱形筒体底部为入口，顶部为出口；
其中圆柱形筒体内部位于入口上方固定安装两端接于筒体内壁的横向连杆；
其中圆柱形筒体的出口处设置圆环挡块和中心挡块；其中中心挡块为上表面大于或等于下表面的结构；初始状态时中心挡块的外侧壁面与圆环挡块的内侧壁面完全重合，圆环挡块外侧壁面与圆柱形筒体出口处内侧壁面完全重合；
其中圆环挡块内侧壁面与喷嘴中心轴线角度为0°-65°，圆环挡块的外侧壁面与喷嘴中心轴线角度为0°-70°；
工作状态时，圆环挡块的上表面高于圆柱形筒体出口水平面，使圆环挡块与圆柱形筒体之间形成环形空隙，称为第一出口；中心挡块上表面高度高于或等于圆环挡块上表面高度；当中心挡块上表面高度高于圆环挡块上表面高度时，中心挡块与圆环挡块之间形成环形空隙，称为第二出口，中心挡块上表面高度等于圆环挡块上表面高度时，喷嘴只具有第一出口；
上述圆柱形筒体内部安装有螺旋方向向上的大弹簧，大弹簧内部安装有螺旋方向向上的小弹簧；其中大弹簧尾端固定于横向连杆中间位置，顶端固定于圆环挡块；其中小弹簧尾端固定于横向连杆中间位置，顶端固定于中心挡块。
上述周期性新型喷嘴的工作方法，其特征在于以下过程：
流体由入口进入圆柱形筒体内部并冲击处于初始状态的圆环挡块和中心挡块；
在一定的冲击力下，圆环挡块受到流体冲击力作用带动大弹簧向上运动，使得圆环挡块上表面高于出口水平面，产生第一出口，此时流体冲击圆环挡块下表面后，继而向四周散开，经由第一出口喷出；
同时，中心挡块受到流体冲击力作用带动小弹簧向上运动，在一定的流体流速下，小弹簧向上运动的距离等于圆环挡块向上运动的距离，使得中心挡块上表面高度等于圆环挡块上表面高度，此时喷嘴仅具有第一出口，流体仅从第一出口喷出；在与上述流体流速不同时，小弹簧向上运动的距离大于圆环挡块向上运动的距离，使得中心挡块上表面高度大于圆环挡块上表面高度，产生第二出口，流体冲击中心挡块下表面后，继而向四周散开，经由第二出口喷出，此时喷嘴具有两个出口，流体从第一出口和第二出口喷出；
由于大弹簧、小弹簧另一端均固定安装于连杆，大弹簧、小弹簧均会发生拉伸变形，使得圆环挡块和中心挡块分别受到弹性力，在圆环挡块自身重力与大弹簧拉力的作用下，圆环挡块向下回落至初始位置，同理，在中心挡块自身重力与小弹簧拉力的作用下，中心挡块向下回落至初始位置；重复喷射流体，形成周期性运动；
由于圆环挡块前方皆为静止空气，在流体粘性和外界压力差的作用下，流体卷吸空气形成涡旋，进而在第一出口外形成大涡环，同理，由于中心挡块前方皆为静止空气，流体卷吸空气形成涡旋，进而在第二出口外形成小涡环，当喷嘴仅具有第一出口工作时，产生单涡环，当喷嘴第一出口与第二出口均工作时，同时产生双涡环。
所述周期性新型喷嘴，其特征在于：
所述入口直径为15-80cm；
所述中心挡块上表面直径为5-50cm，高度为5-22cm；圆环挡块上表面内外径之差为10-60cm，由于入口直径与挡块参数会影响涡环的形成以及尺寸，故具体参数视流体冲击力而定，流体冲击力越大，入口直径与挡块参数越大，以确保在出口形成合适尺寸的涡环。
所述周期性新型喷嘴的工作方法，其特征在于：
工作状态时，圆环挡块的上表面高于圆柱形筒体出口上表面，形成第一出口；中心挡块上表面高度高于圆环挡块上表面高度时，形成第二出口，此时喷嘴具有两个出口；中心挡块上表面高度等于圆环挡块上表面高度时，喷嘴仅具有一个第一出口；出口数目与形成涡环数目成正比，增加出口数目，从而增加形成涡环的数目，具体选用何种挡块结构，视需求而定，以在出口形成合适数目的涡环.
有益效果：流体冲击圆环挡块和中心挡块带动大、小弹簧一起向上运动至出口，当小弹簧比大弹簧向上运动的距离更大时，流体由第一出口和第二出口喷出，在流体粘性和外界压力差的作用下，在出口外同时形成大小双涡环，在圆环挡块和中心挡块自身重力与大、小弹簧拉力的作用下，两块挡块分别随大、小弹簧一起回落至初始位置，当下一次流体冲击时，重复此过程，周期性的形成双涡环。涡环的作用与流体直线射流相比，能够相对较好的维持原状运动较长时间，减少高能流的能量损失。
附图说明
图1是周期性新型喷嘴示意图；
图2是周期性新型喷嘴俯视图；
图3是周期性新型喷嘴正三轴测图；
图4是周期性新型喷嘴外形成的周期性大小双涡环示意图；
图5是周期性新型喷嘴仅具有第一出口示意图；
图6是周期性新型喷嘴仅具有第一出口俯视图；
图7是周期性新型喷嘴仅具有第一出口正三轴测图；
图中标号名称：1 圆柱形筒体，2入口，3连杆，4大弹簧，5小弹簧，6圆环挡块，7 中心挡块，8第一出口，9第二出口。
具体实施方式
下面结合图1至图7对一种周期性新型喷嘴的工作过程作详细说明。
流体由入口2进入圆柱形筒体1内部，冲击处于初始状态的圆环挡块6和中心挡块7下表面，在一定的冲击力下，圆环挡块6和中心挡块7同时向上运动；
由于大弹簧4一端固定安装于连杆3，一端固定安装于圆环挡块6下表面，圆环挡块6会带动大弹簧4一起向上运动，使得圆环挡块6上表面高于出口水平面，产生第一出口8，此时流体冲击圆环挡块6下表面后，继而向四周散开，经由第一出口8喷出；
同理，由于小弹簧5一端固定安装于连杆3，一端固定安装于中心挡块7下表面，中心挡块7会带动小弹簧5一起向上运动，并且大弹簧4有效圈数为4-18圈，小弹簧5有效圈数为6-24圈，小弹簧5的劲度系数小于大弹簧4的劲度系数，在一定的流体流速下，小弹簧5向上运动的距离等于圆环挡块6向上运动的距离，使得中心挡块7上表面高度等于圆环挡块6上表面高度，此时喷嘴仅具有第一出口8，流体仅从第一出口8喷出；在与上述流体流速不同时，小弹簧5向上运动的距离大于圆环挡块6向上运动的距离，使得中心挡块7上表面高度大于圆环挡块6上表面高度，产生第二出口9，流体冲击中心挡块7下表面后，继而向四周散开，经由第二出口9喷出，此时喷嘴具有两个出口，流体从第一出口8和第二出口9喷出；
由于圆环挡块6及中心挡块7前方皆为静止空气，在流体粘性及压差的作用下，流体卷吸空气，形成涡旋，喷出的流体在第一出口8外形成大涡环，在第二出口9外形成小涡环，当喷嘴仅具有第一出口8工作时，产生单涡环，喷嘴仅具有第一出口8示意图如图5、图6和图7所示，当喷嘴第一出口8与第二出口9均工作时，同时产生大小双涡环，该周期性新型喷嘴示意图如图1、图2和图3所示，周期性大小双涡环示意图如图4所示。
大弹簧4和小弹簧5向上运动时均会发生拉伸变形，产生向下的拉力，在圆环挡块6自身重力与大弹簧4拉力的作用下，圆环挡块6和随大弹簧4向下运动，并最终回到初始位置，同理，在中心挡块7自身重力与小弹簧5拉力的作用下，中心挡块7随小弹簧5向下运动，并最终回到初始位置。重复喷射流体，进而重复此过程，从而周期性的产生涡环。
涡环相较于流体直线射流，可维持环状运动较长距离，且由于弹簧的形变作用，可以实现在出口周期性的产生双涡环或单涡环，使高能流可维持环状运动较长距离，减少能量耗散。

Claims (3)

1.一种周期性新型喷嘴，其特征在于：
包括圆柱形筒体（1），圆柱形筒体（1）底部为入口（2），顶部为出口；
其中圆柱形筒体（1）内部位于入口（2）上方固定安装两端接于筒体（1）内壁的横向连杆（3）；
其中圆柱形筒体（1）的出口处设置圆环挡块（6）和中心挡块（7）；其中中心挡块（7）为上表面大于或等于下表面的结构；初始状态时中心挡块（7）的外侧壁面与圆环挡块（6）的内侧壁面完全重合，圆环挡块（6）外侧壁面与圆柱形筒体（1）出口处内侧壁面完全重合；
其中圆环挡块（6）内侧壁面与喷嘴中心轴线角度为0°-65°，圆环挡块（6）的外侧壁面与喷嘴中心轴线角度为0°-70°；
工作状态时，圆环挡块（6）的上表面高于圆柱形筒体（1）出口水平面，使圆环挡块（6）与圆柱形筒体（1）之间形成环形空隙，称为第一出口（8）；中心挡块（7）上表面高度高于或等于圆环挡块（6）上表面高度；当中心挡块（7）上表面高度高于圆环挡块（6）上表面高度时，中心挡块（7）与圆环挡块（6）之间形成环形空隙，称为第二出口（9），中心挡块（7）上表面高度等于圆环挡块（6）上表面高度时，喷嘴只具有第一出口（8）；
上述圆柱形筒体（1）内部安装有螺旋方向向上的大弹簧（4），大弹簧（4）内部安装有螺旋方向向上的小弹簧（5）；其中大弹簧（4）尾端固定于横向连杆（3）中间位置，顶端固定于圆环挡块（6）；其中小弹簧（5）尾端固定于横向连杆（3）中间位置，顶端固定于中心挡块（7）。
2.根据权利要求1所述的周期性新型喷嘴，其特征在于：
所述入口（2）直径为15-80cm；
所述中心挡块（7）上表面直径为5-50cm，高度为5-22cm；圆环挡块（6）上表面内外径之差为10-60cm。
3.根据权利要求1-2所述的周期性新型喷嘴的工作方法，其特征在于以下过程：
流体由入口（2）进入圆柱形筒体（1）内部并冲击处于初始状态的圆环挡块（6）和中心挡块（7）；
在一定的冲击力下，圆环挡块（6）受到流体冲击力作用带动大弹簧（4）向上运动，使得圆环挡块（6）上表面高于出口水平面，产生第一出口（8），此时流体冲击圆环挡块（6）下表面后，继而向四周散开，经由第一出口（8）喷出；
同时，中心挡块（7）受到流体冲击力作用带动小弹簧（5）向上运动，在一定的流体流速下，小弹簧（5）向上运动的距离等于圆环挡块（6）向上运动的距离，使得中心挡块（7）上表面高度等于圆环挡块（6）上表面高度，此时喷嘴仅具有第一出口，流体仅从第一出口（8）喷出；在与上述流体流速不同时，小弹簧（5）向上运动的距离大于圆环挡块（6）向上运动的距离，使得中心挡块（7）上表面高度大于圆环挡块（6）上表面高度，产生第二出口（9），流体冲击中心挡块（7）下表面后，继而向四周散开，经由第二出口（9）喷出，此时喷嘴具有两个出口，流体从第一出口（8）和第二出口（9）喷出；
由于大弹簧（4）、小弹簧（5）另一端均固定安装于连杆（3），大弹簧（4）、小弹簧（5）均会发生拉伸变形，使得圆环挡块（6）和中心挡块（7）分别受到弹性力，在圆环挡块（6）自身重力与大弹簧（4）拉力的作用下，圆环挡块（6）向下回落至初始位置，同理，在中心挡块（7）自身重力与小弹簧（5）拉力的作用下，中心挡块（7）向下回落至初始位置；重复喷射流体，形成周期性运动；
由于圆环挡块（6）前方皆为静止空气，在流体粘性和外界压力差的作用下，流体卷吸空气形成涡旋，进而在第一出口（8）外形成大涡环，同理，由于中心挡块（7）前方皆为静止空气，流体卷吸空气形成涡旋，进而在第二出口（9）外形成小涡环，当喷嘴仅具有第一出口（8）工作时，产生单涡环，当喷嘴第一出口（8）与第二出口（9）均工作时，同时产生双涡环。
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