一種無源平面垂直渦流發生器的製作方法

2023-06-17 06:48:16 1

專利名稱：一種無源平面垂直渦流發生器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種發生器，尤其是涉及一種無源平面垂直渦流發生器。
背景技術：
邊界層分離的控制是流動控制的重要部分，方法有多種，其主要的指導思想是增大邊界 層內流體的運動能量，提高其抵抗分離的能力以抑制分離。渦流發生器是克服邊界層分離的 有效方法之一。控制流動分離用的渦流發生器多需要機械結構件，雖然可以在邊界層流動中 起到控制分離的作用，但當邊界層沒有發生分離時，反而會對流動產生負面影響。其它可控 制流動分離的裝置多需要額外氣源，而且組件較多，結構複雜，加工難度大或加工量大。生 產中也常會遇到慘混物料的需求，已有的方法往往需要結構複雜的機構和動力。
公開號為CN1234095的發明專利申請公開一種小型渦旋流體裝置，它包括一組兩個渦巻 支撐元件； 一渦巻元件具有漸開螺旋凹槽的內部軸向表面， 一螺旋渦巻構件旋入螺旋凹槽內， 並可沿其螺旋槽道旋轉移動；另一渦巻支撐元件具有由內部軸向表面突出的漸開螺旋渦巻構
件；有一同步組件軸向地介於上述兩渦巻支撐元件之間，與該渦旋流體裝置相關的入口及出 口區域徑向地向內，而且也與該渦旋流體裝置的軌道中心徑向地向內。該渦旋流體裝置最好 由塑料製成。該裝置提供了既非常小型，且廉價的渦流裝置。
公開號為CN101001500的發明專利申請公開一種空心筒電極渦流式空氣等離子體發生 器，主要由分別帶有引線的陰極和陽極、以及控制等離子體焰的外磁場線圈組成；陰極和陽 極都是由兩個內外同心、兩端開口的空芯金屬筒組成，陰極空芯絕緣絕熱墊圈與陽極固連一 體，使陰極內層空芯腔貫通形成等離子體腔，陰極上端被絕緣絕熱封閉，陽極內外兩空芯筒 間被封閉，使陰陽極的內、外兩層空芯筒間形成水冷密封空腔，陰陽都設有工作氣流輸入管 及冷卻水進出管口陽極外層設有外磁場線圈。優點是結構簡單、製造成本低、工業維護方便、 使用壽命長。
倪亞琴(倪亞琴.渦流發生器研製及其對邊界層的影響研究[J].空氣動力學學報，1995 年，13 (1): 110-116)介紹了葉片式渦流發生器的造型、機理和對邊界層流動控制的應用。 以上能夠形成渦流的發生器都需要機械結構件，有的本身結構還很複雜，或需要氣源提供初始空氣流動，而且無法直接在平面或物體表面形成垂直向上的渦流；而能對邊界層分離 流動進行控制的渦流發生器雖能達到目的，但對無分離的流動也帶來負面的影響。 發明內容
本實用新型的目的在於針對現有的某些能夠形成渦流的發生裝置所存在的結構較為復 雜，無法在平面或平滑物體表面直接產生渦流，能對邊界層流動進行控制的渦流發生器雖能 達到目的，但對無分離的流動也帶來負面影響等不足，提供一種結構較為簡單，可在無氣源 的無孔平面或平滑的物體表面直接產生垂直渦流的無源平面垂直渦流發生器。
本實用新型設有底板和交流電源，底板為絕緣電介質平板，在底板的上表面和下表面覆 有至少2對同圓心的圓形電極，圓形電極包括圓形上表面電極和圓形下表面電極，以及至少 4對弧形電極，弧形電極包括弧形上表面電極和弧形下表面電極；圓形電極中有1對圓形上 表面電極和圓形下表面電極分別設在底板兩側中央；弧形上表面電極和弧形下表面電極均分 別與底板上下表面中央的圓形上表面電極和圓形下表面電極連接並繞其圓周方向呈輻射狀均 勻地成對間距交錯排布；其餘各對圓形上表面電極和圓形下表面電極設於弧形上表面電極和 弧形下表面電極的外側，並交錯排布；在覆有電極的底板的橫截剖面上，同一對弧形上表面 電極和弧形下表面電極，或同一對圓形上表面電極和圓形下表面電極的尺寸均滿足以下關係
A〉"，且D2〉^和A—"2>"2 — (《+4)， A為相鄰上表面電極之間的距離，￡)2為同一對
電極的上表面電極與下表面電極相背的兩側之間的距離，《為同一對電極的上表面電極的寬
度，^為同一對電極的下表面電極的寬度；底板兩側的設在所有弧形電極外側的同一對圓形 上表面電極和圓形下表面電極的尺寸還需滿足以下關係凡> 凡為圓形上表面電極的內側 半徑，。為圓形下表面電極的內側半徑；各弧形上表面電極與底板上表面的中心圓形電極和 弧形上表面電極外側的各圓形上表面'電極電連接；各弧形下表面電極與底板下表面的中心圓 形電極和弧形下表面電極外側的各圓形下表面電極電連接；各上表面電極和各下表面電極分 別與交流電源的兩個輸出端電連接；在底板下表面與所有下表面電極上設有電介質材料覆蓋 層。
所有的弧形上表面電極和弧形下表面電極均為同向彎曲的弧線，可為圓弧，或其它曲線， 但為了保證所產生的渦旋流動具有所需的方向，各弧形上表面電極和弧形下表面電極最好具 有與所需的渦流旋轉方向相同的彎曲方向，而且只能是圍繞底板中心的圓單向彎曲；由於弧
形電極呈輻射狀排布，因此對確定的一對弧形上表面電極和弧形下表面電極，D卜D2的值會 因在不同部位取剖面而不同，在設計時A、 c/2也可視電極條排布的具體情況而改變，如靠近圓心處可較細些，遠離圓心處可較寬些，但都必須滿足上述尺寸關係。
設在底板兩側中央的1對圓形上表面電極和圓形下表面電極可交錯排布，或不交錯排布， 或為直徑較小的相同圓斑。
所述底板最好為絕緣電介質平板，絕緣電介質平板選自陶瓷平板、聚四氟乙烯平板或環 氧樹脂平板等；絕緣電介質平板的厚度^最好》0.5mm，所有各對電極的上表面電極的厚度 ^為0.05 0.15mm，所有各對電極的下表面電極的厚度/ 2為0.05 0.15mm。
所述電介質材料覆蓋層的厚度A最好大於5倍下表面電極厚度/z2，足以覆蓋所有的下表 面電極，並防止電介質材料層下方產生氣體放電。
所述圓形上表面電極或圓形下表面電極中的最外圈圓形上表面電極或圓形下表面電極的 外側距底板邊緣的距離〉10mm。
交流電源的輸出電壓最好為3 10KV，頻率最好為10 20KHz。
本實用新型是一種大氣壓介質阻擋放電產生垂直渦流的裝置。當在底板上、下表面電極 之間加載高壓交流電時，底板上表面發生氣體放電，產生定向氣流(參見圖3)。電介質材料 覆蓋層的作用是防止底板的下表面也出現氣體放電。根據圖3的氣體放電產生平行於板面且 垂直於電極條的定向流動的原理，當本實用新型通電工作時，在底板上表面，弧形電極外側 的圓形電極表面產生聚向圓心且垂直於底板表面的向上射流流動(參見圖4)，而弧形電極表 面形成平行於底板繞圓心的平面旋流(參見圖5)，兩種流動相互作用的結果是在底板上表面 產生一個軸線經圓心且垂直於板面的向上旋轉流動，即垂直於底板板面的渦流(參見圖6)。 本實用新型的渦流發生器應用的場合可以很多，例如可用於流動邊界層的主動控制，也可用 於微細顆粒狀物體的摻混或攪拌，等等。
本實用新型的使用方法可將本實用新型布置在物體表面需要垂直渦流的地方，將其附 著於物體表面。
本實用新型形成垂直渦流的原理是利用設於絕緣電介質平板上的所有上表面電極和下 表面電極之間的大氣壓介質阻擋放電產生向圓心聚集的向上的旋轉氣流自然形成垂直於平板 的渦流。其突出優點是(l)可方便地改變渦流強度，當需要改變渦流強度時，只需改變加載 電源的輸出電壓或頻率；(2)組成結構簡單，在產生渦流的表面不需要形成渦流的機械結構， 在不需要渦流發生器工作時，物體表面保持平滑；(3)渦流的方向由弧形電極條的彎曲方向及 其交錯排布方式所決定，可形成右手螺旋方向或左手螺旋方向的渦流；(4)不需要額外氣源， 也不需要泵和管道等機械部件；(5)可根據對渦流強度的需求，通過調整底板兩側電極條的對數、布置尺寸、彎曲形狀和選擇底板材料進行設計。其技術效果是能夠在無氣源的無孔平面 壁上直接產生垂直於壁面的渦流，渦流的流量和強度可方便地通過改變電源參數進行調節。

圖1為本實用新型實施例的結構示意圖。 圖2為圖1的A-A剖面結構示意圖。
圖3為本實用新型實施例依據的大氣壓介質阻擋放電產生定向氣流的示意圖；在圖3中， 放電引起的氣流方向為P。
圖4為本實用新型實施例工作時弧形電極外側的圓形電極(圖1的B-B剖面)形成垂直 於底板的向上射流Q的示意圖。
圖5為本實用新型實施例工作時弧形電極形成逆時針方向的平面旋流S的示意圖。
圖6為本實用新型實施例工作時形成右手螺旋向上的垂直於底板面的渦流T的示意圖。
具體實施方式
參見如圖1和2所示，本實用新型實施例設有底板1和高壓交流電源V;底板1為絕緣 電介質平板，絕緣電介質平板選自陶瓷平板、聚四氟乙烯平板或環氧樹脂平板等。在底板1 的上表面和下表面覆有3對同圓心的圓形上表面電極21和圓形下表面電極31，以及9對弧 形上表面電極22和弧形下表面電極32;弧形上表面電極22和弧形下表面電極32外側的圓 形上表面電極21和圓形下表面電極31交錯排布，弧形上表面電極22和弧形下表面電極32 沿底板中心圓電極的圓周方向呈成對等間距交錯輻射狀排布。
底板1中心的圓形上表面電極21和圓形下表面電極31的外側直徑均為10mm。在底板1 的上表面，弧形上表面電極22外側的外圈圓形電極的內側直徑為90mm，次外圈圓形電極的 內側直徑為75mm;在底板1的下表面，弧形下表面電極32外側的外圈圓形電極的內側直徑 為85mm，次外圈圓形電極的內側直徑為70mm。這兩對圓形電極條的寬度為A=^ = lmm。
所有同一對電極的上表面電極和下表面電極的尺寸都滿足以下關係(參見圖2): Z^〉i)2， 且Z)2>^和Z^—Z)2〉D2—(A+4)， A為相鄰圓形上表面電極21之間或弧形上表面電極22 之間的距離，D2為同一對電極的圓形上表面電極21與圓形下表面電極31或弧形上表面電極 22與弧形下表面電極32相背的兩側之間的距離，^為同一對電極的圓形上表面電極21或弧 形上表面電極22的寬度，^為同一對電極的圓形下表面電極31或弧形下表面電極32的寬度。 實際應用時i^， ￡>2， A， A等的具體尺寸可根據需要設計，但必須滿足上述規定的各尺寸間 的關係:所有弧形電極的弧線均為相同的半圓弧線，半圓弧線的直徑為35mm， A=^2=lmm;底 板為120mmX 120mm的矩形平板，也可是直徑為120mm的圓形平板。底板上下表面中心的 圓形電極外徑均為10mm，寬度為lmm，也可設計成一個直徑為10mm的圓斑；由於弧形上 表面電極和弧形下表面電極分別與上下表面中心圓形電極相切，且呈輻射狀排布，因此從中 心圓形電極順弧形電極的彎曲方向，A、D2是逐漸增大的，直至弧形電極的末端部，Z)2^5mm。
各圓形上表面電極21與弧形上表面電極22電連接，各圓形下表面電極31與弧形下表面 電極32電連接，再與高壓交流電源V的兩個輸出端電連接。
底板的厚度//X).5mm，弧形上表面電極的厚度&為0.05 0.15mm，弧形下表面電極的 厚度&為0.05 0.15mm。圓形上表面電極的厚度&為0.05 0.15mm，圓形下表面電極的厚 度/ 2為0.05 0.15mm。
在底板下表面覆蓋電介質材料層，電介質材料層的厚度大於5倍下表面電極厚度/22， 足以覆蓋下表面電極，並防止電介質材料層下方放電。
最外圈圓形電極的外側距底板邊緣的距離〉10mm。
高壓交流電源的輸出電壓為3 10KV，頻率為10 20KHz。
每一對電極在底板上下表面的排布略有錯開，底板上下表面的電極分別連接後再連接高 壓交流電源。當接通高壓交流電源時，同一對電極之間會出現放電現象，從而在底板上方產 生聚向圓心且向上旋轉的氣流，即形成一個軸線過圓心、垂直於平板面的渦流。該渦流的旋 轉方向與弧形電極的彎曲方向及其交錯排布方式有關。如圖的電極排布方式將產生右手螺旋 的向上渦旋流動。所用高壓交流電源可採用市售產品。
權利要求1.一種無源平面垂直渦流發生器，其特徵在於設有底板和交流電源，底板為絕緣電介質平板，在底板的上表面和下表面覆有至少2對同圓心的圓形電極，圓形電極包括圓形上表面電極和圓形下表面電極，以及至少4對弧形電極，弧形電極包括弧形上表面電極和弧形下表面電極；圓形電極中有1對圓形上表面電極和圓形下表面電極分別設在底板兩側中央；弧形上表面電極和弧形下表面電極均分別與底板上下表面中央的圓形上表面電極和圓形下表面電極連接並繞其圓周方向呈輻射狀均勻地成對間距交錯排布；其餘各對圓形上表面電極和圓形下表面電極設於弧形上表面電極和弧形下表面電極的外側，並交錯排布；在覆有電極的底板的橫截剖面上，同一對弧形上表面電極和弧形下表面電極，或同一對圓形上表面電極和圓形下表面電極的尺寸均滿足以下關係D1＞D2，且D2＞d1和D1-D2＞D2-(d1+d2)，D1為相鄰上表面電極之間的距離，D2為同一對電極的上表面電極與下表面電極相背的兩側之間的距離，d1為同一對電極的上表面電極的寬度，d2為同一對電極的下表面電極的寬度；底板兩側的設在所有弧形電極外側的同一對圓形上表面電極和圓形下表面電極的尺寸還需滿足以下關係Ri＞ri，Ri為圓形上表面電極的內側半徑，ri為圓形下表面電極的內側半徑；各弧形上表面電極與底板上表面的中心圓形電極和弧形上表面電極外側的各圓形上表面電極電連接；各弧形下表面電極與底板下表面的中心圓形電極和弧形下表面電極外側的各圓形下表面電極電連接；各上表面電極和各下表面電極分別與交流電源的兩個輸出端電連接；在底板下表面與所有下表面電極上設有電介質材料覆蓋層。
2. 如權利要求1所述的一種無源平面垂直渦流發生器，其特徵在於所有的弧形上表面電 極和弧形下表面電極均為同向彎曲的弧線或圓弧。
3. 如權利要求1所述的一種無源平面垂直渦流發生器，其特徵在於各弧形上表面電極和 弧形下表面電極具有與所需的渦流旋轉方向相同的彎曲方向，且是圍繞底板中心的圓單向彎 曲。
4. 如權利要求1所述的一種無源平面垂直渦流發生器，其特徵在於設在底板兩側中央的 1對圓形上表面電極和圓形下表面電極為交錯排布，或不交錯排布，或直徑較小的相同圓斑。
5. 如權利要求1所述的一種無源平面垂直渦流發生器，其特徵在於所述底板為絕緣電介 質平板，絕緣電介質平板選自陶瓷平板、聚四氟乙烯平板或環氧樹脂平板。
6. 如權利要求1或5所述的一種無源平面垂直渦流發生器，其特徵在於所述底板的厚度X).5mm。
7. 如權利要求1所述的一種無源平面垂直渦流發生器，其特徵在於所有各對電極的上表 面電極的厚度為0.05 0.15mm，所有各對電極的下表面電極的厚度為0.05 0.15mm。
8. 如權利要求1所述的一種無源平面垂直渦流發生器，其特徵在於所述電介質材料覆蓋 層的厚度大於5倍下表面電極厚度。
9. 如權利要求1所述的一種無源平面垂直渦流發生器，其特徵在於所述圓形上表面電極 或圓形下表面電極中的最外圈圓形上表面電極或圓形下表面電極的外側距底板邊緣的距離〉 10mm。
10. 如權利要求1所述的一種無源平面垂直渦流發生器，其特徵在於交流電源的輸出電 壓為3 10KV，頻率為10 20KHz。
專利摘要一種無源平面垂直渦流發生器，涉及一種發生器。提供一種無需供氣氣源，可在平面或平滑的物體表面直接產生垂直渦流的垂直渦流發生器。設底板和電源，在底板上下表面覆有至少2對圓形電極和至少4對弧形電極，圓形電極中有1對設在底板兩側中央；弧形電極與底板上下表面中央的圓形上表面電極和圓形下表面電極連接並繞其圓周方向呈輻射狀均勻地成對間距交錯排布；餘下各對圓形電極設於弧形電極外側；各弧形上表面電極通過底板上表面的中心圓形電極電連接，再與弧形上表面電極外側的各圓形上表面電極電連接；各弧形下表面電極通過底板下表面的中心圓形電極電連接，再與弧形下表面電極外側的各圓形下表面電極電連接；在底板下表面設電介質材料覆蓋層。
文檔編號F15D1/00GK201433959SQ200920138618
公開日2010年3月31日 申請日期2009年6月2日 優先權日2009年6月2日
發明者麒 林, 沈錦明, 波 潘, 黃印陽 申請人:廈門大學