本發(fā)明涉及流體力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及氣液固多相流動，對多相流中細(xì)微顆粒的定向輸運(yùn)技術(shù)的一種基于渦環(huán)結(jié)構(gòu)的霧化射流裝置。

背景技術(shù)：

霧化射流技術(shù)是一種在工業(yè)生產(chǎn)中常見的技術(shù)手段，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、氣象等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用背景。1.各種液體燃燒裝置：如內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、鍋爐、發(fā)動機(jī)等。霧化過程能顯著增大液體的表面積，從而加強(qiáng)傳熱傳質(zhì)過程，使液體的混合、蒸發(fā)和燃燒過程充分，提高燃料的利用率。霧化過程的優(yōu)化是燃燒裝置節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)之一。2.噴涂技術(shù)：如紡織復(fù)貼技術(shù)、熱噴涂中的前驅(qū)物合成。其基本過程是將粘膠或液態(tài)的前驅(qū)物通過噴嘴進(jìn)行霧化，霧化后的液滴在氣流中飛行并撞擊基板，隨后在基板上攤開、粘貼、凝固而形成薄膜。霧化液滴尺寸適合、分布均勻則有利于提高涂層的均勻性、致密性和粘貼強(qiáng)度等質(zhì)量指標(biāo)。3.多種生產(chǎn)工藝流程：如霧化干燥和濕潤、霧化冷卻、霧化反應(yīng)、酸堿蝕刻表面處理、乳化劑的制取等。4.消防滅火、農(nóng)業(yè)灌溉、醫(yī)用及制藥、粉末技術(shù)、噴墨打印、噴霧清洗等。

上述霧化射流主要是通過霧化噴嘴裝置來實(shí)現(xiàn)顆粒的霧化和輸運(yùn)的，霧化噴嘴是利用液體和氣體的相對運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦使液體變形破碎，霧化粒徑越小需要的摩擦就越大，對應(yīng)的能耗就很高，另外這種方式的霧化機(jī)理十分復(fù)雜，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確控制霧化粒徑的分布和均勻性。霧化后的液體被高速氣流裹挾形成霧化射流，該股射流在自由界面上存在很強(qiáng)的剪切作用，會使得氣流速度衰減很快，在噴嘴參數(shù)固定的條件下，射流來流總壓p與噴射距離L的平方成正比，也就是說噴射距離要提高1倍，需要的壓力則需要提高到原來的4倍，因此需要的能量要大許多。由于射流邊緣上的剪切流使得粒子受到指向射流外側(cè)的Saffman升力，導(dǎo)致細(xì)小顆粒很快就擴(kuò)開了，輸運(yùn)距離很短。綜上所述，采用噴嘴的霧化射流裝置存在如下的固有缺點(diǎn)：

由于大多數(shù)的壓力能都用于克服表面張力來破碎液體，使得顆粒的輸運(yùn)效率低，能耗高；

由于噴嘴霧化原理復(fù)雜，難以準(zhǔn)確控制霧化粒徑分布和均勻性；

由于細(xì)小的顆粒在自由剪切流受Saffman升力，導(dǎo)致顆粒的擴(kuò)散明顯，輸運(yùn)距離小。

參考文獻(xiàn)：

錢麗娟, 霧化射流場中粒子運(yùn)動和傳熱特性的研究，浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2010.05

孫曉霞，超聲波霧化噴嘴的研究進(jìn)展，工業(yè)爐，2004,26(1):19-24

胡方軍，微泵型壓電超聲波霧化器研究，南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.03。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的就是設(shè)計(jì)一種基于渦環(huán)結(jié)構(gòu)的霧化射流裝置，解決傳統(tǒng)噴嘴型霧化射流裝置中的效率低，能耗高，霧化顆粒不均勻，輸運(yùn)距離短的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的噴嘴型霧化射流裝置是霧化和輸運(yùn)兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行，而本發(fā)明的則將霧化和輸運(yùn)兩個(gè)過程獨(dú)立，霧化采用更高效的超聲波霧化原理，輸運(yùn)則采用孤立渦環(huán)來實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于渦環(huán)結(jié)構(gòu)的霧化射流方法，包括以下步驟：

步驟一：將需要霧化的介質(zhì)在粒子發(fā)生器中霧化成均勻的細(xì)小顆粒，混合輸運(yùn)氣體之后成為多相流氣體進(jìn)入裝置內(nèi)的顆粒腔；

步驟二：多相氣流通過活塞上的單向閥之后進(jìn)入到輸運(yùn)腔內(nèi)；

步驟三：通過活塞做動系統(tǒng)使得活塞向輸運(yùn)腔方向運(yùn)動，活塞將進(jìn)入輸運(yùn)腔內(nèi)的多相流氣體進(jìn)行擠壓，使得多相流氣體穿過隔板的通孔后變得均勻；

步驟四：均勻的多相氣流通過收縮噴管的出口產(chǎn)生一個(gè)裹挾著細(xì)小顆粒的多相流渦環(huán)結(jié)構(gòu)，利用渦環(huán)流動結(jié)構(gòu)保持性來對微小顆粒進(jìn)行輸運(yùn)，該渦環(huán)勻速的向外運(yùn)動直至耗散；

步驟五：渦環(huán)結(jié)構(gòu)運(yùn)動到足夠遠(yuǎn)時(shí)，重新循環(huán)步驟一和步驟四，從而實(shí)現(xiàn)顆粒的源源不斷的霧化和輸運(yùn)。

在上述過程中，所述霧化采用超聲波霧化技術(shù)，利用電子高頻震蕩，通過壓電陶瓷霧化片的高頻諧振，將介質(zhì)變成離散的霧滴顆粒。

在上述過程中，霧化射流的過程中，對于介質(zhì)的霧化與霧化后的輸運(yùn)為獨(dú)立分開的兩個(gè)過程。

本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)渦環(huán)結(jié)構(gòu)霧化射流方法的裝置，包括一個(gè)密閉的腔體，所述腔體內(nèi)設(shè)置有一個(gè)活塞，所述活塞將腔體內(nèi)分為兩個(gè)相互獨(dú)立的顆粒腔和輸運(yùn)腔，所述活塞在活塞做動系統(tǒng)的作用下沿著所述腔體內(nèi)移動；

所述密閉的腔體外部的一端設(shè)置有離子發(fā)生器，所述離子發(fā)生器的輸出端連接到顆粒腔內(nèi)，所述密閉的腔體外部的另一端與離子發(fā)生器對立的端面上設(shè)置有收縮噴管，收縮噴管與輸運(yùn)腔連通；

所述活塞上設(shè)置有通孔，通孔使得顆粒腔與輸運(yùn)腔導(dǎo)通。

在上述技術(shù)方案中，所述輸運(yùn)腔內(nèi)設(shè)置有一個(gè)隔板，隔板將輸運(yùn)腔分為兩個(gè)部分，隔板表面設(shè)置有若干個(gè)通孔。

在上述技術(shù)方案中，所述隔板與活塞平行。

在上述技術(shù)方案中，所述活塞上設(shè)置有若干個(gè)通孔，每一個(gè)通孔內(nèi)設(shè)置有閥門。

在上述技術(shù)方案中，所述閥門為單向閥門，且閥門從顆粒腔至輸運(yùn)腔導(dǎo)通。

在上述技術(shù)方案中，與顆粒腔連接設(shè)置有若干個(gè)離子發(fā)生器。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明采用渦環(huán)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)顆粒的定向輸運(yùn)。渦環(huán)是常見的一種流動現(xiàn)象，例如從吸煙者嘴里吐出的煙圈就是一種渦環(huán)，正因?yàn)闊煔饬Ｗ忧逦梢姡拍苊黠@觀察到渦環(huán)結(jié)構(gòu)。瞬時(shí)射流流向自由空間時(shí)，在出口處與靜止氣體發(fā)生剪切，就會形成渦環(huán)；本發(fā)明解決傳統(tǒng)噴嘴型霧化射流裝置中的效率低，能耗高，霧化顆粒不均勻，輸運(yùn)距離短的缺點(diǎn)；傳統(tǒng)的噴嘴型霧化射流裝置是霧化和輸運(yùn)兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行，而本發(fā)明的則將霧化和輸運(yùn)兩個(gè)過程獨(dú)立，霧化采用更高效的超聲波霧化原理，輸運(yùn)則采用孤立渦環(huán)來實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1是基于渦環(huán)結(jié)構(gòu)的霧化射流裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是渦環(huán)結(jié)構(gòu)的生成原理圖；

其中：1是活塞，2是單向閥門，3是粒子發(fā)生器，4是活塞做動系統(tǒng)，5是顆粒腔，6是輸運(yùn)腔，7是蜂窩網(wǎng)，8是收縮噴管。

具體實(shí)施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

如圖1所示，本發(fā)明的基于渦環(huán)結(jié)構(gòu)的霧化射流裝置，其由活塞，單向閥門，粒子發(fā)生器，活塞做動系統(tǒng)，顆粒腔，輸運(yùn)腔，蜂窩網(wǎng)，收縮噴管八部分構(gòu)成。由于孤立渦環(huán)結(jié)構(gòu)具有能量集中、運(yùn)動均勻，耗散小的特點(diǎn)，所以本發(fā)明的基本原理就是通過活塞運(yùn)動在噴管出口產(chǎn)生孤立渦環(huán)來實(shí)現(xiàn)對微小顆粒的輸運(yùn)和播撒。其中活塞將整個(gè)裝置的內(nèi)部隔離成左邊的顆粒腔和右邊的輸運(yùn)腔兩部分。活塞上均勻分布若干個(gè)單向閥門使得含顆粒的多相氣流只能從顆粒腔流向輸運(yùn)腔。在裝置的左側(cè)均勻分布若干個(gè)粒子發(fā)生器，例如超聲波粒子發(fā)生器，其產(chǎn)生的多相流充滿顆粒腔?；钊鰟酉到y(tǒng)直接控制活塞按照特定規(guī)律運(yùn)動，在輸運(yùn)腔中產(chǎn)生脈沖式壓力波。壓力波驅(qū)動輸運(yùn)腔中的氣流通過蜂窩網(wǎng)后變得均勻，最后在收縮噴管出口處形成一個(gè)孤立渦環(huán)結(jié)構(gòu)，該渦環(huán)結(jié)構(gòu)能夠很好的實(shí)現(xiàn)對細(xì)小顆粒的定向輸運(yùn)。

本發(fā)明中的活塞：產(chǎn)生壓力波，隔離腔體，承載安裝單向閥；

單向閥門：安裝在活塞上，使得顆粒和氣流只能從顆粒腔向輸運(yùn)腔單向流動；

粒子發(fā)生器：產(chǎn)生含有微小顆粒的多相氣流，例如通過超聲波將液體破碎為微小液體，變成氣液兩相氣流；

活塞做動系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)程序控制，實(shí)現(xiàn)活塞按照給定規(guī)律的運(yùn)動；

顆粒腔：容納粒子發(fā)生器產(chǎn)生的多相氣流；

輸運(yùn)腔：容納待輸運(yùn)的多相氣流；

蜂窩網(wǎng)：將壓力波驅(qū)動的多相氣流變得均勻；

收縮噴管：將多相氣流收縮加速，由出口噴出成為一個(gè)渦環(huán)結(jié)構(gòu)。

需要霧化的介質(zhì)在粒子發(fā)生器中霧化成均勻的細(xì)小顆粒，混合輸運(yùn)氣體之后成為多相流氣體進(jìn)入顆粒腔。這里的霧化是以超聲波霧化為代表的霧化技術(shù)，是利用電子高頻震蕩，通過陶瓷霧化片的高頻諧振，再結(jié)合一定的霧化器結(jié)構(gòu)將流體變成離散的霧滴顆粒的過程。這樣得到霧滴顆粒均勻、粒徑小，結(jié)構(gòu)簡單，通過調(diào)節(jié)壓電陶瓷的驅(qū)動電壓U和頻率f即可控制霧滴的粒徑分布、產(chǎn)量，使霧滴顆粒的粒徑在10～20微米，這種尺度的粒徑流場跟隨性已經(jīng)足夠，能夠充分確保渦環(huán)結(jié)構(gòu)對霧滴的輸運(yùn)效果。

當(dāng)顆粒腔中充滿多相流體之后，活塞向右運(yùn)動，就會在噴管出口產(chǎn)生一個(gè)渦環(huán)結(jié)構(gòu)。渦環(huán)是渦量場中的一種自封閉的渦流結(jié)構(gòu)，渦動力學(xué)的Helmholtz第一定律告訴我們，渦環(huán)具有保持性，及某時(shí)刻組成渦環(huán)的流體質(zhì)點(diǎn)在以后任意時(shí)刻也永遠(yuǎn)組成渦環(huán)，這即為本發(fā)明的理論基礎(chǔ)。當(dāng)顆粒在氣流中的跟隨性足夠好的話，渦環(huán)能夠很好的起到輸運(yùn)作用。相關(guān)研究指出，當(dāng)液滴直徑在20微米以下時(shí)，就會體現(xiàn)出較好的流動跟隨性，。如附圖2，假定活塞直徑為D_pis，以速度U_pis向左的位移為L_pis，噴管出口直徑為D_ex，則可知，噴管出口的速度。根據(jù)渦動力學(xué)的相關(guān)理論可知，渦環(huán)的無量綱最佳形成時(shí)間為4左右，因此可知活塞的最佳行程L_pis為，此種條件下，渦環(huán)的運(yùn)動速度U_VR約為出口速度U_ex的1/2。

本發(fā)明的整個(gè)系統(tǒng)的工作過程為：

初始時(shí)，活塞在做動系統(tǒng)的控制下向左運(yùn)動至活塞行程的左端。

粒子發(fā)生器不斷將介質(zhì)霧化成細(xì)小顆粒形成多相氣流進(jìn)入顆粒腔，當(dāng)顆粒腔中的壓力足夠高時(shí)，頂開單向閥，使多相氣流流入輸運(yùn)腔，直至多相氣流充滿輸運(yùn)腔，粒子發(fā)生器暫停工作。

活塞在做動系統(tǒng)的控制下按照給定規(guī)律向右運(yùn)動，直至活塞行程的右端，這時(shí)顆粒腔體積擴(kuò)張壓力減小，單向閥門自動關(guān)閉。

在輸運(yùn)腔中，由于活塞的壓縮，產(chǎn)生一道從左至右的壓縮波驅(qū)動多相流向右運(yùn)動，多相流在經(jīng)過蜂窩網(wǎng)之后，流動變得均勻，進(jìn)一步進(jìn)過收縮噴管的收縮加速，最終的噴管的出口流出。

噴管流出的多相流在進(jìn)入自由空間后，在自由流發(fā)生剪切作用作用下，多相流卷起成一個(gè)獨(dú)立的渦環(huán)結(jié)構(gòu)。根據(jù)Helmholtz第一定律，該渦環(huán)結(jié)構(gòu)裹挾的細(xì)小微粒將一直跟隨渦環(huán)結(jié)構(gòu)勻速向右運(yùn)動直至完全耗散。

當(dāng)渦環(huán)運(yùn)動到下游足夠遠(yuǎn)時(shí)，重新循環(huán)上述過程。

本發(fā)明解決了傳統(tǒng)噴嘴型霧化射流裝置中的效率低，能耗高，霧化顆粒不均勻，輸運(yùn)距離短的缺點(diǎn)。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。