CN206897412U - 一种超声速喷管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超声速喷管，其由环状收缩扩张喷管、被引射加料管、加速管、靶头构成，利用环状收缩扩张喷管的超声速气流将中心加料圆管的低速气流在加速管中引射加速至超声速状态，使物料颗粒跟随气流得到足够的动能并聚集在气流中心，聚焦式的碰撞到下游的固定靶头，从而解决了高速气流固相反应中遇到的加料困难、物料颗粒动能低和碰撞反应效率低的问题。

Description

一种超声速喷管

技术领域

本专利涉及流体力学和固相化学反应领域，具体涉及超声速气流加速低热固相反应用超声速喷管。

背景技术

固相化学反应是一种重要的化学合成方法，是人们研制新型固相材料的手段之一，它具有高选择性、高产率、工艺工程简单的特点。其制备工艺主要有高温煅烧和机械研磨方法，这些方法都是提高反应物的能量来确保固相反应的发生。超声速气流加速低热固相反应法是一种将超声速流体技术与低热固相化学合成技术有机结合的新技术，其能够大大提高能量的馈入密度，是一种重要的绿色合成技术，具有潜在的巨大应用价值。

超声速气流加速低热固相反应法基本原理是将反应物添加到气流中，通过气流带动反应物料运动，最后碰撞到固定靶头上，在高速碰撞过程中实现固相反应。实现超声速气流加速低热固相反应的两个条件是：一要将反应物料馈入加速气流加速至超声速，二要使气流中的物料流具有稳定的流体性质，保证其在靶头发生高速碰撞完成瞬态化学反应。可见，设计合理的反应器结构是实现超声速气流加速低热固相反应的关键。关于反应器结构设计，传统的高速气流粉碎机多将高压气体从喷管中喷出得到一股高速气流，并在喷管下游的侧壁上开设进料口，物料颗粒通过进料口进入气流，跟随高速气流一起流动，并在下游撞靶(已公开专利CN105107595A)。另外，也有专利(US2014/0058176A1)公开了超声速气流碰撞合成小分子化合物(比如乙炔等)的方法，其中采用的原料均为气体(比如水蒸汽、氢气、CO等)，从公开的技术方案来看，反应器的结构如附图1所示，原料气体仍然采取侧壁开口加入的方式，这种方式对于气体反应原料来讲没有明显的影响，但对于本实用新型所说的低热固相反应来说，存在很多问题：一是由于进料口开在侧壁上，破坏了流场的均匀性，气流紊乱，使得下游的流场难以达到或是维持为超声速状态，导致物料难以获得足够的动能；二是物料通过侧壁加入，物料随紊乱的气流随机分布在整个管道中，没有汇聚到气流中心，使得撞靶概率降低。可见，需要重新设计反应物引入加速气流的方式，并设计全新的反应器整体结构。

实用新型内容

本实用新型专利的主要目的是设计一种用于超声速气流加速低热固相反应的喷管反应器，解决传统气流粉碎机中遇到的加料困难、物料颗粒动能低和碰撞反应效率低的问题。

一种超声速喷管，沿气流流动方向环状收缩扩张喷管与加速管第一段、加速管第二段顺序连接，并形成贯通的内腔，在环形收缩扩张喷管内部同轴方向贯穿设置一根被引射加料管，被引射加料管的入口端用于引入固体颗粒或粉末和常压载气流，出口端延伸至加速管第一段，收缩扩张喷管内部空间被分成被引射加料管内部流道和环状收缩扩张流道；在加速管第二段末端设置靶头。

所述环状收缩扩张喷管为一体成型，包括收缩段和扩张段，两段过渡连接处为喉道，喉道为收缩段和扩张段的最小截面处，高压气流通过收缩段气流加速，压力降低，在喉道处达到声速，然后以超声速状态进入扩张段，气流进一步加速，压力进一步降低，出口马赫数M 由计算得出，其中，A_ex为环形收缩矿渣喷管扩张段出口面积，A_*为喉道4截面面积，γ为工作气体的比热比常数，对于空气γ＝1.4，A_ex/A_*由环状收缩扩张喷管扩张段出口截面与喉道截面的直径比值D3/D2计算得到。高压气流通过收缩段气流加速，压力降低，以超声速状态进入扩张段，气流进一步加速，压力进一步降低，最后在环形喷管出口处静压p_ex由计算得出，p₀为来流总压，根据计算得到的压差确定固体物料颗粒流的加入量。

被引射加料管的直径D1、喷管喉道截面直径D2、加速管第一段入口截面直径D3、加速管第二段入口截面直径D4优选的关系为：D1＜D2＜D3＜D4。环状收缩扩张喷管的环状收缩段长度L1、环状收缩扩张喷管的扩张段长度L2、加速管第一段长度L3、加速管第二段长度L4优选关系为：L1＜L4＜L2＜L3。

所述加速管第一段和加速管第二段为两段不同锥度的喇叭状管，两段管为一体成型或密封连接，所述加速管第一段的圆锥扩开角α为0.1～0.3°，加速管第二段的圆锥扩张角β为 5～15°，两段管的开口方向一致，均沿气流流动方向开口。

优选的，所述加速管第一段的圆锥扩开角α为0.2°，加速管第二段的圆锥扩张角β为 10°。

环状收缩扩张喷管的主要作用是将环形喷管出口流入的高压气流在收缩扩张过程中加速为超声速气流，保证喷管出口得到一个低于大气压的静压。

被引射加料管的主要作用是将从含物料颗粒的物料颗粒载气流入口1反应物料颗粒加入超声速气流的正中心。由于被引射加料管5的上游为大气压，下游超声速喷管出口，两者之间存在压差，该压差可以将物料颗粒吸入，并在加速管第一段和加速管第二段的气流中加速。

加速管第一段和加速管第二段的作用：一是让加料管内的亚声速气流在环状收缩扩张喷管中的超声速气流的引射作用下混合成一股均匀的超声速气流；二是让加料管出来的物料颗粒在加速段中跟随超声速气流充分加速；三是让物料颗粒加速时聚集在气流中央。

在加速管入口的超声速气流沿轴向流入，在经过加料管口时气流发生偏转，会极大的降低压力，能够很好引射中心的含物料颗粒的亚声速气流。两股气流在加速管中混合得到一股超声速气流，物料可以在加速段中跟随该超声速气流充分的加速，从而获得足够大的动能。由于两股气流都是沿轴向流动，径向速度微乎其微，所以从加料管进入流场的物料颗粒的径向速度很小，这样可以保证物料颗粒在加速过程中始终聚集在气流的正中央。

靶头的作用是与物料颗粒发生碰撞。物料颗粒跟随气流得到了足够大的动能，最后准确的碰撞在中央的靶头上，并在靶头前的反应区诱发固相反应。

使用时，将上游高压气源与环状喷管的入口对接，高压气流经过喉道处达到声速，在经过加速段第一段膨胀为超声速流动，环形喷管出口相对于物料颗粒载气流入口产生一个负压，对加料管中的低速气流产生引射作用，使低速气流加速并在出口与超声速气流混合。两股气流在加速管道中进一步混合，使得中心的速度剖面与环状主流相当，物料颗粒随着中心气流不断地加速至超声速状态，并获得足够大的动能；由于上游和加速管道的轴对称性，使整个流动过程的都沿轴向流动，径向速度可以忽略，物料颗粒都聚集在流动的正中央。物料颗粒跟随气流最后以超声速碰撞在下游中心靶头上，并在靶头反应区诱发固相反应。碰撞之后的细小颗粒通过下游出口的回收管道进行循环回收。

本实用新型的超声速喷管基本工作原理是利用超声速气流的引射作用将掺混固体颗粒物料的低速气流加速到超声速，从而用气流将物料颗粒也加速至超声速状态，使得物料颗粒具有足够大的动能，由于物料颗粒是从超声速气流的中心引射加入，并且整个管路中流场均匀，所以物料颗粒加速后仍然积聚在喷管的中心，能够准确的碰撞在下游中心的靶头并实现固相反应。

当使用本实用新型的超声速喷管进行实验时，来流的总压为15atm，总温为300K，喷管工作马赫数为3，喷管表现出优异的技术效果，具体表现在：

(1)环状收缩扩张喷管可以使气流达到超声速状态，并在喷管出口得到一个负压，更加有利于物料被吸入，例如：当喷管出口的绝对压力为0.408atm时，速度可以达到622m/s。

(2)在上下游产生约为0.596atm的压力差，通过加料管上下游的压力差，可以使物料颗粒通畅地馈入引射气流中。

(3)物料颗粒引射进入加速管之后，在气流的带动下可以加速至气流速度，从而获得很高的动能。

(4)物料颗粒加速后积聚在气流中央，从而实现聚焦式的碰撞，诱发高效率的固相反应。

附图说明

图1现有技术中采取的侧向添加反应物料的喷管结构示意图，其中，1’为上部进料口，2’为下部进料口，3’为反应物料进料区，4’为加速段。

图2适用于超声速气流加速低热固相反应的喷管结构示意图，其中，1-含物料颗粒的低压气流入口；2-高压引射气体入口；3-环形收缩扩张喷管；4-喉道；5-被引射加料管；6-环形喷管出口；7-超声速气流；8-加速管第一段；9-高速气固相流；10-加速管第二段；11-高速固相流碰撞区域；12-靶头；13-气流出口；D1为被引射加料管的直径；D2为喷管喉道截面直径； D3为加速管第一段入口截面直径；D4为加速管第二段入口截面直径；L1为喷管环状收缩段长度；L2为喷管环状扩张段长度；L3为加速管第一段长度；L4为加速管第二段长度；α为加速管第一段圆锥扩开角；β为加速管第二段圆锥扩开角。

图3不同粒径颗粒沿流向的速度变化图。其中，图中坐标轴的零点在喷管出口8处。

具体实施方式

超声速喷管，沿气流流动方向环状收缩扩张喷管3与加速管第一段8、加速管第二段10 顺序连接，并形成贯通的内腔，在环形收缩扩张喷管3内部同轴方向贯穿设置一根被引射加料管5，被引射加料管5的入口端连接固体颗粒或粉末和常压载气流，出口端延伸至加速管第一段8，收缩扩张喷管3内部空间被分成被引射加料管5内部流道和环状收缩扩张流道；在加速管第二段10末端设置圆柱靶头12。环状收缩扩张喷管3为一体成型，包括收缩段和扩张段，两段过渡连接处为喉道4，喉道4为收缩段和扩张段的最小截面处，高压气流通过收缩段气流加速，压力降低，在喉道4处达到声速，然后以超声速状态进入扩张段，气流进一步加速，压力进一步降低，出口马赫数M由计算得出，其中，A_ex为环形收缩矿渣喷管扩张段出口面积，A_*为喉道4截面面积，γ为工作气体的比热比常数，对于空气γ＝1.4，A_ex/A_*由环状收缩扩张喷管(3)扩张段出口截面与喉道(4)截面的直径比值D3/D2计算得到。高压气流通过收缩段气流加速，压力降低，以超声速状态进入扩张段，气流进一步加速，压力进一步降低，最后在环形喷管出口6处静压p_ex由计算得出，p₀为来流总压，根据计算得到的压差确定固体物料颗粒流的加入量。

被引射加料管5的直径D1、喷管喉道4截面直径D2、加速管第一段8入口截面直径D3、加速管第二段10入口截面直径D4优选的关系为：D1＜D2＜D3＜D4。环状收缩扩张喷管3的环状收缩段长度L1、环状收缩扩张喷管3的扩张段长度L2、加速管第一段8长度L3、加速管第二段10长度L4优选关系为：L1＜L4＜L2＜L3。所述加速管第一段8和加速管第二段 10为两段不同锥度的喇叭状管，两段管为一体成型或密封连接，所述加速管第一段8的圆锥扩开角α为0.1～0.3°，加速管第二段10的圆锥扩张角β为5～15°，两段管的开口方向一致，均沿气流流动方向开口。优选的，所述加速管第一段8的圆锥扩开角α为0.2°，加速管第二段10的圆锥扩张角β为10°。

使用时，将上游高压气源与环状喷管的入口6对接，高压气流经过喉道4处达到声速，在经过加速段第一段8膨胀为超声速流动，环形喷管出口6相对于固体颗粒载气流入口1产生一个负压，对加料管中的低速气流产生引射作用，使低速载气流和固体颗粒加速并在出口与超声速气流9混合。两股气流在加速管道中进一步混合，使得中心的速度剖面与环状主流相当，固体颗粒随着中心气流不断地加速至超声速状态，并获得足够大的动能。由于上游和加速管道的轴对称性，使整个流动过程的都沿轴向流动，径向速度可以忽略，物料颗粒都聚集在流动的正中央9。固体颗粒跟随气流最后以超声速碰撞在下游中心靶头12上，并在靶头反应区11诱发固相反应。碰撞之后的细小颗粒通过下游出口13的回收管道进行循环回收。

环状收缩扩张喷管3的主要作用是将高压入口6流入的高压气流在收缩扩张过程中加速为超声速气流，保证喷管出口8得到一个低于大气压的静压。被引射加料管5的主要作用是将从含物料颗粒的物料颗粒载气流入口1反应物料颗粒加入超声速气流的正中心。由于被引射加料管5的上游为大气压，下游超声速喷管出口，两者之间存在压差，该压差可以将物料颗粒吸入，并在加速管第一段8和加速管第二段10的气流中加速。加速管第一段8和加速管第二段10的作用：一是让加料管2内的亚声速气流在环状收缩扩张喷管3中的超声速气流的引射作用7下混合成一股均匀的超声速气流；二是让加料管出来的物料颗粒在加速段中跟随超声速气流充分加速；三是让物料颗粒加速时聚集在气流中央9。在加速管入口的超声速气流沿轴向流入，在经过加料管口时气流发生偏转，会极大的降低压力，能够很好引射中心的含物料颗粒的亚声速气流。两股气流在加速管中混合得到一股超声速气流，物料可以在加速段中跟随该超声速气流充分的加速，从而获得足够大的动能。由于两股气流都是沿轴向流动，径向速度微乎其微，所以从加料管进入流场的物料颗粒的径向速度很小，这样可以保证物料颗粒在加速过程中始终聚集在气流的正中央。靶头11的作用是与物料颗粒发生碰撞。物料颗粒跟随气流得到了足够大的动能，最后准确的碰撞在中央的靶头上，并在靶头前的反应区11 诱发固相反应。

使用本实用新型的超声速喷管进行实验，来流的总压为15atm，总温为300K，喷管工作马赫数为3，分别选用1μm、5μm、10μm、15μm、20μm硅粉颗粒在安装了超声速喷管的超声速气流加速低热固相反应装置中实验，并监测加速管道中的加速过程，如图3所示，五种粒度的固体颗粒均能在很短的距离内被加速至超声速，随着固体颗粒粒径的增加，被加速至超声速所需要的加速行程越长，但在一个完整的加速段内均能达到所需要的超声速，比如20um的颗粒在下游的速度可以达到约500m/s。环状收缩扩张喷管可以使气流达到超声速状态，并在喷管出口得到一个负压，更加有利于物料被吸入，当喷管出口的绝对压力为0.408atm 时，速度可以达到622m/s，在上下游产生约为0.596atm的压力差，通过加料管上下游的压力差，可以使物料颗粒通畅馈入引射气流中，物料颗粒引射进入加速管之后，在气流的带动下可以加速至气流速度，从而获得很高的动能，物料颗粒加速后积聚在气流中央，从而实现聚焦式的碰撞，诱发高效率的固相反应。

Claims (7)

1.一种超声速喷管，包括环状收缩扩张喷管(3)、加速管第一段(8)、加速管第二段(10)，三者沿气流方向依次顺序连接并形成贯通的内腔，在环形收缩扩张喷管(3)内部同轴方向贯穿设置被引射加料管(5)，被引射加料管(5)的入口端用于引入固体颗粒或粉末和常压载气流，被引射加料管(5)的出口端延伸至加速管第一段(8)的入口处，收缩扩张喷管(3)内部空间被分成被引射加料管(5)内部流道和环状收缩扩张流道，在加速管第二段(10)末端设置靶头(12)。

2.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于，所述环状收缩扩张喷管(3)为一体成型，由收缩段和扩张段构成，两段过渡连接处为喉道(4)，喉道(4)为收缩段和扩张段的最小截面处，高压气流通过收缩段气流加速，压力降低，在喉道(4)处达到声速，然后进入扩张段，气流进一步加速，压力进一步降低，出口马赫数M由计算得到，其中，A_ex为环形收缩扩张喷管(3)扩张段出口面积，A_*为喉道(4)截面面积，γ为工作气体的比热比常数，对于空气γ＝1.4，A_ex/A_*由环状收缩扩张喷管(3)扩张段出口截面与喉道(4)截面的直径比值D3/D2计算得到。

3.根据权利要求2所述的喷管，其特征在于，高压气流通过收缩段气流加速，压力降低，进入扩张段后气流进一步加速，压力进一步降低，最后在环状收缩张喷管出口(6)处静压p_ex由计算得出，p₀为来流总压，根据计算得到的压差确定固体物料颗粒流的加入量。

4.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于，被引射加料管(5)的直径D1、喷管喉道(4)截面直径D2、加速管第一段(8)入口截面直径D3、加速管第二段(10)入口截面直径D4的关系为：D1＜D2＜D3＜D4。

5.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于，环状收缩扩张喷管(3)的收缩段长度L1、环状收缩扩张喷管(3)的扩张段长度L2、加速管第一段(8)长度L3、加速管第二段(10)长度L4的关系为：L1＜L4＜L2＜L3。

6.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于，所述加速管第一段(8)和加速管第二段(10)为两段不同锥度的喇叭状管，两段管为一体成型或密封连接，所述加速管第一段(8)的圆锥扩开角α为0.1～0.3°，加速管第二段(10)的圆锥扩张角β为5～15°，两段管的开口方向一致，均沿气流流动方向开口。

7.根据权利要求6所述的喷管，其特征在于，所述加速管第一段(8)的圆锥扩开角α为0.2°，加速管第二段(10)的圆锥扩张角β为10°。