可控共振式超音速氣體噴嘴的製作方法

2023-09-15 14:45:45

專利名稱：可控共振式超音速氣體噴嘴的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可控共振式超音速氣體噴嘴。它可以產生可控高強度振動或旋轉振動氣流。可以應用在噴射霧化冶金、大強度聲波或超聲波及動力等技術領域。
背景技術：
本發明源於對噴射霧化冶金技術的研究，但本發明的意義超越了這項技術應用本身。噴射霧化冶金技術是近二三十年來新興的冶金工藝，發展非常快，其中超音速氣體霧化技術因其產品性能的優越備受關注。此項技術的關鍵之處在於產生高頻振動的高速氣流。而高頻振動的產生原因是由於存在一種稱之為Hartmann共振管的結構。Hartmann共振管又稱Hartmann哨，由兩截細管段組成，由其一管段吹氣入底部封閉的另一管段，產生哨音。Hartmann共振管在現實中有非常多的應用，如利用其振動效應的煙塵沉降、燃料預混、主動控制、噪音抑制及噴射霧化等，利用其熱效應的火箭發動機點火器、新型電冰箱制冷機等。Hartmann共振管具有多種形態,噴射霧化冶金技術中所採用的USGA (Ultra-SonicGas Atomization)噴嘴US7118052B2就是它的一種變化。USGA噴嘴可以產生帶有高頻振動的超音速氣流，使得霧化產品品質優良，有顆粒分布集中的特點。USGA噴嘴在噴射霧化冶金技術有著重要的地位。不過，USGA噴嘴也有自己的缺點。其產生的高頻振動的氣流馬赫數需較高，起振難度大，振動的振幅較小；氣流速度非常大時反而壓抑了有益的氣體振動；振動特性是噴嘴被加工出來時就確定的，不能調節，不能適用多狀況下的要求。

發明內容
本發明的目的在於針對已有技術存在的缺陷，提供一種可控共振式超音速氣體噴嘴，可以獲得簡單色系、高強度、周期性不衰減壓力波和流量波及振幅和頻率可調控的脈動氣流、或者旋動和脈動複合運動氣流。為達到上述目的，本發明的構思是本發明的可控共振式超音速氣體噴嘴，具有噴嘴體。噴嘴體是噴嘴的主要實體環形構件，相關的腔體和通道主要設置在噴嘴體上，其實體外側、上端面和內側構成U形槽環。噴嘴體內側實體部分橫截面為近直角梯形形狀，其傾斜邊形成的環面構成U形槽環內側壁面，垂直邊形成的環面構成主激勵器的安裝面，平行短邊形成的環面構成二次激勵器的安裝面，平行長邊形成的環面構成氣體出口端的開孔面。噴嘴體內側環形實體上開有兩組以上十字形通孔，其開孔方向與主激勵器和二次激勵器的安裝面分別成垂直或者平行關係。本發明的可控共振式超音速氣體噴嘴，具有底盤。底盤是一快碟片，是可控共振式超音速氣體噴嘴的下底面，底盤和U形槽環的敞口面相接合，形成封閉的腔體；底盤也可以設計為和噴嘴體實體相連的一體式結構。本發明的可控共振式超音速氣體噴嘴，具有儲氣腔。儲氣腔是底盤和噴嘴體U形槽環圍成的空腔，起到穩定入流和保護上遊設備的緩衝作用。本發明的可控共振式超音速氣體噴嘴，具有氣體入口。氣體入口開口於噴嘴體外側，可以為一組或多組，它提供了穩定的氣體來源，保障可控共振式超音速氣體噴嘴工作介質的存在；輸入的氣體由外接的高壓氣源提供。本發明的可控共振式超音速氣體噴嘴，具有主激勵器。主激勵器的作用是產生可控制的氣體振動，可以由零質量射流裝置來實現，可以有壓電膜振動式、活塞振動式、記憶合金振動式、聲波激勵式或者其它可以產生氣流振動的裝置組成，其信號的幅度、頻率和相位可調控。本發明的可控共振式超音速氣體噴嘴，具有二次激勵器。二次激勵器的作用是協同主激勵器工作，強化振動的效應。也可以由零質量射流來實現，可以有壓電膜振動式、活塞振動式、記憶合金振動式、聲波激勵式或者其它可以產生氣流振動的裝置組成，其信號的幅度、頻率和相位可調控。本發明的可控共振式超音速氣體噴嘴，具有十字形通孔。十字形通孔由垂直相交的通孔構成，十字形通孔有四個端孔，其一指向U形槽環內側壁面，連接儲氣腔，其二指向直角梯形的平行短邊環面，連接二次激勵器，其三指向直角梯形的垂直邊環面，連接主激勵器，其四是指向直角梯形的平行長邊環面，形成氣體出□。本發明的可控共振式超音速氣體噴嘴，具有氣體出口端。氣體出口端產生簡單色系、高強度、周期性不衰減壓力波和流量波及振幅和頻率可調控的脈動氣流、或者旋動和脈動複合運動氣流。根據上述發明構思，本發明採用下述技術方案一種可控共振式超音速氣體噴嘴，它包括一個噴嘴體，一塊底盤，多組主激勵器和二次激勵器。噴嘴體是一個中部為臺錐體的環形罩殼，其中部的臺錐體中心有異型孔腔，該異型孔腔呈一個下臺錐形空腔上串接一個上倒臺錐形空腔；所述噴嘴體的環形罩殼和中部臺錐體的下底面與所述底盤貼合連接，形成一個封閉的環形儲氣腔；所述噴嘴體中部臺錐體上開有兩組以上十字通孔，其中一通孔使所述環形儲氣腔連通所述異型孔腔的上倒臺錐形空腔，其出口端安裝所述主激勵器；而另一通孔使噴嘴體上側空間連通所述異型孔腔的下臺錐形空間，其入口端安裝所述二次激勵器，而出口端接通下臺錐形空腔；所述噴嘴體環形罩殼外側面上設有氣體入口，將氣體輸入到環形儲氣腔。上述主激勵器和二次激勵器所提供的激勵信號可以由零質量射流裝置來實現，零質量射流裝置為壓電膜振動式裝置、或活塞振動式裝置、或記憶合金振動式裝置、或聲波激勵式裝置。上述主激勵器和二次激勵器提供的信號，其振幅、頻率、相位可控，可以以同步方式或者異步方式運行，當激勵頻率為十字通道的固有頻率時，可以獲得共振峰值。固有頻率由管道的幾何特徵所決定，通常不止一個，可以分為局部幾何因素造成的固有頻率，其大小可以用f = c/(4L)估計，其中f為固有頻率，c為當地聲速，L為連接主激勵器的十字形通孔的端孔的有效長度；也可以分為全局的幾何因素造成的固有頻率，其大小根據具體的十字通道的各端孔尺寸變化而不同，一般較難估計。上述的各組主激勵器、二次激勵器對可以配合使用，通過採用不同的激勵信號相位、頻率、幅度產生不同的射流流場，是穩定流場、或者脈動流場、或者脈動和旋動複合的氣流流場。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點採用本發明可獲得超音速氣流，通過引入可控的主、二次激勵信號，利用十字形孔道的聲學共振特性，使得出口氣流和激波系發生振幅和頻率可調的脈動、旋動和脈動複合運動。採用本發明的裝置氣體噴嘴輸出振動能量可以由激勵輸入端輸入流量幅度調節，可以獲得比不加激勵的裝置大得多的振動幅值。採用本發明的裝置在較低流速和壓力下仍能起振，啟動速度快；在外加條件不變時，壓力波和流量波波動幅度不會衰減，工作能保持較高穩定水平。由此，採用本發明可以獲得可控、穩定、高強度、簡單色系氣體幅度、頻率、相位可調的壓力波和流量波，使得噴嘴氣體射流按照預設或者一般或者脈動或者旋動脈動複合或者更加複雜的方式運動。


圖1可控共振式超音速氣體噴嘴結構示意圖。圖2典型射流運動模式示意圖，其中圖(a)為一般的射流模式；圖(b)脈動模式；圖(C)旋動脈動模式。圖3典型單十字形管內無激勵時壓力波傳播計算圖(一個周期)。圖4典型單十字形管內主激勵器、二次激勵器協同作用時的壓力波傳播計算圖(一個周期)。圖5典型單十字形管內激勵時的頻率-響應振幅計算圖。圖6典型單十字形管內主激勵器、二次激勵器信號存在相位差時的振幅隨相位差變化的曲線計算圖。圖7典型激勵器結構示意圖，其中圖(a)為壓電膜振動式；圖(b)為活塞振動式；圖(d)為記憶合金振動式；圖(C)為聲波激勵式。
具體實施例方式本發明的一個優選實施例結合

如下實施例一參見圖1，本可控共振式超音速氣體噴嘴，包括一個噴嘴體I，一塊底盤7，多組主激勵器3和二次激勵器2。噴嘴體I是一個中部為臺錐體的環形罩殼，其中部的臺錐體中心有異型孔腔，該異型孔腔呈一個下臺錐形空腔上串接一個上倒臺錐形空腔；所述噴嘴體I的環形罩殼和中部臺錐體的下底面與所述底盤7貼合連接，形成一個封閉的環形儲氣腔4 ;所述噴嘴體I中部臺錐體上開有兩組以上十字通孔8，其中一通孔使所述環形儲氣腔4連通所述異型孔腔的上倒臺錐形空腔，其出口端安裝所述主激勵器3 ;而另一通孔使噴嘴體I上側空間連通所述異型孔腔的下臺錐形空間，其入口端安裝所述二次激勵器2，而出口端6接通下臺錐形空腔；所述噴嘴體I環形罩殼外側面上設有氣體入口 5，氣體由氣體入口 5進入儲氣腔4，再進入十字形通孔8，發生孔道內部的氣體共振後，氣體在氣體出口端6高速噴出，實現可控共振式超音速氣體噴嘴的功能。實施例二 參見圖1和圖2，本實施例與實施例一原理相同，特別之處是各組主激勵器3、二次激勵器2配合使用，通過控制激勵信號的相位、頻率、幅度，產生不同類型的射流流場(a) 一般的穩定流場；(b)脈動流場；(C)脈動和旋動複合流場。實施例三參見圖1和圖3，本實施例與實施例一原理相同，特別之處是給出了典型的單十字形管內無激勵時壓力波傳播計算圖(一個周期)。計算所取參數為進出口總壓比R =1. 6，管徑D = 3. 6mm，共振管長L = 2D。可以看到十字管道內氣流壓力場呈周期性脈動特徵。實施例四參見圖1和圖4，本實施例與實施例一原理相同，幾何參數與實施例三相同，特別之處是存在激勵信號，圖4給出了典型的單十字形管內主激勵器、二次激勵器協同作用時的壓力波傳播計算圖(一個周期)激勵器所選參數為激勵頻率f =噴嘴固有頻率(10895Hz)，激勵振幅均為A = O. 1，相位差為O。可以看到十字管道內氣流壓力場呈周期性脈動特徵與實施例三中的結果顯著不同。實施例五參見圖1和圖5,本實施例與實施例一原理相同，幾何參數與實施例三相同，激勵的振幅和相位差參數與實施例四相同，特別之處是激勵的頻率是變化的，圖5給出了典型的單十字形管內激勵時的頻率-響應振幅計算圖。表明對不同的激勵頻率，獲得的壓力響應和質量流率響應是不同的，並且存在多個峰值，即共振會在多個頻率發生。實施例六參見圖1和圖6,本實施例與實施例一原理相同,幾何參數與實施例三相同，激勵的振幅和頻率參數與實施例四相同，特別之處是主激勵器和二次激勵器所施加信號的相位差是變化的，圖6給出了典型的單十字形管內主激勵器、二次激勵器信號存在相位差時的振幅隨相位差變化的曲線計算圖。可以看到激勵器相位差的存在對壓力響應和質量流率響應存在非常大的影響。實施例七參見圖1和圖7，本實施例與實施例一原理相同，特別之處是上述主動激勵器3和二次激勵器2為主動控制部件，為零質量射流提供裝置，可以是由壓電膜振動式(圖(a))、或者活塞振動式(圖(b))、或者聲波激勵式(圖(C))、或者記憶合金振動式(圖(d))或者其它可以產生氣流振動的構件組成。
權利要求
1.一種可控共振式超音速氣體噴嘴，包括一個噴嘴體(I)，一塊底盤(7)，多組主激勵器(3)和二次激勵器(2)，其特徵在於 1)所述噴嘴體(I)是一個中部為臺錐體的環形罩殼，其中部的臺錐體中心有異型孔腔，該異型孔腔呈一個下臺錐形空腔上串接一個上倒臺錐形空腔；所述噴嘴體(I)的環形罩殼和中部臺錐體的下底面與所述底盤(7)貼合連接，形成一個封閉的環形儲氣腔(4)； 2)所述噴嘴體(I)中部臺錐體上開有兩組以上十字通孔(8)，其中一通孔使所述環形儲氣腔(4)連通所述異型孔腔的上倒臺錐形空腔，其出口端安裝所述主激勵器(3);而另一通孔使噴嘴體(I)上側空間連通所述異型孔腔的下臺錐形空間，其入口端安裝所述二次激勵器(2)，而出口端(6)接通下臺錐形空腔； 3)所述噴嘴體(I)環形罩殼外側面上設有氣體入口(5)，將氣體輸入到環形儲氣腔⑷。
2.根據權利要求1所述的可控共振式超音速氣體噴嘴，其特徵在於所述主激勵器(3)和二次激勵器(2)激勵信號由零質量射流裝置來實現，為壓電膜振動式激勵裝置、或活塞振動式激勵裝置、或記憶合金振動式激勵裝置、或聲波激勵式激勵裝置，其激勵振幅、頻率以及信號的相位能夠調節。
3.根據權利要求1所述的可控共振式超音速氣體噴嘴，其特徵在於所述輸入環形儲氣腔(4)的氣體由外部高壓氣源提供。
全文摘要
本發明涉及一種可控共振式超音速氣體噴嘴。它包括一個噴嘴體，一塊底盤，多組主激勵器和二次激勵器。噴嘴體是一個中部為臺錐體的環形罩殼，中部臺錐體中心有異型孔腔，呈一個下臺錐形空腔上串接一個上倒臺錐形空腔。噴嘴體的環形罩殼和中部臺錐體的下底面與底盤貼合連接，形成一個封閉的環形儲氣腔；中部臺錐體上開有兩組以上十字通孔，其中一通孔使環形儲氣腔連通上倒臺錐形空腔，出口端安裝主激勵器，另一通孔使噴嘴體上側空間連通下臺錐形空間，入口端安裝二次激勵器，而出口端接通下臺錐形空腔。本發明不僅可以放大噴嘴的氣體振動效果，還可以使得出口氣流和激波系產生振幅和頻率可調的脈動或者脈動和旋動複合的運動形式，可用於流體霧化、聲學或者動力等領域。
文檔編號B05B17/04GK103056060SQ20101021546
公開日2013年4月24日 申請日期2010年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者王志亮, 祖洪彪 申請人:上海大學