一种喷嘴和控制液滴形成时的形状的方法与流程

本发明涉及流体技术领域，具体地说是一种将脉冲流体转化为均匀球形液滴的喷嘴，以及控制液滴形成时的形状的方法。

技术背景

美国专利us04426021阐述了一种将液体转化为均匀球形液滴的装置，但未深入研究球形液滴形成的具体机制以及喷嘴形状对液滴形成时的形状的具体影响，仍有较大优化空间。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的一种或几种缺陷，提供一种结构简单、符合脉冲流体的力学特征的喷嘴(本说明书中所述流体均指液态流体)，并基于所述喷嘴提供一种控制液滴形成时的形状的方法。

为了实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种喷嘴，所述喷嘴包括一段弧形管和一个喷嘴帽。

所述弧形管一端为进水端，所述弧形管另一端为出水端，所述进水端到所述出水端的中心线的切线转角的角度区间为0°-180°，所述弧形为圆弧形或其他曲线形状。

所述喷嘴帽上设有一出水孔，所述出水孔可以为圆形、椭圆形或其他相似形状，所述出水孔的面积为所述弧形管横截面积的0.6至1倍，所述出水孔的短轴和长轴比值为0.75-1(本说明书中所述横截面积均不包括材料壁厚)。

所述出水孔可以单独制作在喷嘴帽上，再安装于所述弧形管的出水端，也可以直接设于所述喷嘴的出水端。

所述喷嘴的材料硬度大于60hsd(肖氏硬度)。

所述弧形管的内直径为所述脉冲流体一个脉冲周期所包含的液体的等体积球体的直径的0.72-1.25倍。

本发明所述方法是通改变所述出水孔的面积和形状来改变所述喷嘴形成的液滴的形状。

在使用时，本发明所述喷嘴的进水端与产生脉冲流体的装置相连通，所述脉冲流体从所述进水端进入所述喷嘴，所述脉冲流体在所述喷嘴的弧形部分中形成内部环流，随后所述脉冲流体从所述出水孔喷出，分离成形成均匀球形液滴。

所述脉冲流体由往复式容积泵、电机式隔膜泵、其他通过容积变化产生脉冲流体的装置产生，由往复式容积泵和电机式隔膜泵运转方式可知，其产生的脉冲流体是由若干体积和运动状态均相同的脉冲单体首尾相连组成(专利us04426021中有相似概念)，相邻脉冲单体相互接触的部分液体具有较大密度，形成界限(肉眼不可见)，因此，相邻脉冲单体之间具有相对独立性，这是所述脉冲流体分离成均匀球形液滴的基础，但相邻的脉冲单体之间由于相互接触而存在黏连部分，所述脉冲流体直接进入空气中时，相邻脉冲单体之间相互黏连的部分会被直接拉伸破裂，形成大小不等的液滴四处飞溅。所述脉冲流体一个脉冲周期所包含的液体体积即为所述脉冲单体的体积，可以根据所述产生脉冲流体的设备的固有参数计算得出。

本发明所述喷嘴具有一定弧度，所述脉冲单体沿着所述喷嘴的弧形部分运动时受到离心力的作用，因而紧贴所述喷嘴外侧内壁运动(本发明所述喷嘴具有一定弧度，曲率半径所在一侧为所述喷嘴内侧，另一侧为所述喷嘴外侧)，所述喷嘴进水端到其出水端的切线转角角度越大，所述脉冲单体受到的离心力就越大，离心力的作用使所述脉冲单体离开所述喷嘴时，部分液体向离心力方向凸出；沿着所述喷嘴的弧形部分运动的所述脉冲单体之间的相互作用使所述脉冲单体产生内部环流，所述内部环流靠近所述喷嘴外侧部分的流动方向与所述脉冲单体的运动方向一致，所述内部环流靠近所述喷嘴内侧部分的流动方向与所述脉冲单体的运动方向相反，具有内部环流的所述脉冲单体具有自旋的趋势；所述脉冲单体通过所述出水孔离开所述喷嘴时，其前端首先脱离所述出水孔的束缚，在液体表面张力和所述内部环流的作用下球面化，形成较为肥大的脉冲单体头部；所述脉冲单体的外层液体与所述喷嘴内壁密切接触，在所述脉冲单体离开所述出水孔的过程中，所述脉冲单体的外层液体被所述喷嘴内壁吸附而逐渐聚集到所述脉冲单体的后端，形成脉冲单体的尾部，依附于脉冲单体的后端；位于前部的脉冲单体离开所述出水孔时，位于其后部的脉冲单体尚未完全脱离出水孔，二者在重力的作用下，相对距离越来越大，此时，位于前部的脉冲单体的尾部与位于后部的脉冲单体的头部仍处于相互黏连的状态，由于脉冲单体的头部具有较强内部环流，而脉冲单体与所述喷嘴内壁的接触层被拉伸形成的尾部几乎没有内部环流，位于前部的脉冲单体的尾部从位于后部的脉冲单体的头部抽离的过程是剪切作用不断积累的分离过程，并不是直接拉伸断裂，拉伸断裂是一个突变的过程，其断点和断面形状具有较大随机性，容易造成液滴飞溅，而剪切分离是一个循序渐进的过程，具有可控性，且组成脉冲流体的各脉冲单体的状态高度相似，通过所述喷嘴分离形成球形液滴的过程也具有高度重复性；位于前部的脉冲单体的尾部与位于后部的脉冲单体的头部分离后，位于前部的脉冲单体成为一个离散液滴，由于脱离了喷嘴内壁的束缚和位于后部的脉冲单体的黏连，其内部环流转化为所述液滴整体的自旋，自旋方向与其内部环流方向一致，所述自旋使所述液滴在下落过程中形成稳定的运动轨迹，避免了随机飘晃现象的产生，同时使所述液滴的形状迅速趋于球形(与所述飘晃现象相关的空气动力学研究文献多见于球类运动领域)。

所述脉冲单体从产生脉冲流体的设备中以相同的速度连续喷出，依次进入所述喷嘴，由于喷嘴内壁对脉冲流体有一定阻力，在喷嘴中运动距离越长，脉冲单体的动能损失就越大，运动速度趋于减慢，因此相邻的脉冲单体之间，位于后部的脉冲单体比位于前部的脉冲单体具有更大的动能，位于后部的脉冲单体的前端对位于前部的脉冲单体的后端有一定的作用力，从整体上看，所述作用力由产生脉冲流体的设备产生，并沿着所述喷嘴中的脉冲单体渐次向前传播，位于后部的脉冲单体的前端对位于前部的脉冲单体的后端产生作用力，所述作用力为短促的脉冲作用力，所述喷嘴具有一定弧度，由惯性定律可知，所述脉冲作用力的方向与位于前部的脉冲单体整体运动方向不一致(所述脉冲单体具有一定长度，沿着喷嘴的弧形部分呈现弯曲状态，而力的方向为直线)，所述脉冲作用力使位于前部的脉冲单体的后端的部分液体产生偏离喷嘴中心线流向喷嘴外侧的对流，但由于受到所述喷嘴外侧管壁的阻挡只能沿着管壁向前流动，本发明所述装置中的喷嘴具有适合的弯曲度，使得所述脉冲作用力偏离喷嘴轴向的分量较小，位于前部的脉冲单体的后端产生的内部对流具有相对较小的动能，无法突破位于前部的脉冲单体前端由于脉冲压力作用形成的密度较大的区域，同时由于所述喷嘴内壁的束缚，所述对流被限制在位于前部的脉冲单体中，在脉冲作用力的多次作用下，所述脉冲单体内部的对流不断增强形成内部环流。所述喷嘴的进水端到其出水端的中心线的切线转角的角度区间为0°-180°，所述角度越大，所述脉冲单体在所述喷嘴内形成的内部环流就越强，所述脉冲单体离开所述喷嘴时形成的液滴的自转角速度就越大。

产生脉冲流体的装置每次容积变化产生一个脉冲单体，其容积缩小时产生压力推动脉冲单体向前运动，所述压力首先作用于脉冲单体的后端，使脉冲单体的后端部分液体向前压缩，导致被压缩部液体密度增大，产生弹性势能，在弹性势能的驱动下，位于所述脉冲单体后端的液体对位于其前端的液体产生一定作用力，使相应位置的液体向前移动，进而使所述脉冲单体实现整体位移，所述弹性势能从当前位置的液体传导至下一位置的液体时，部分能量转化为当前位置液体的动能和热能，因此，越靠近所述脉冲单体后端的液体获得的运动速度越大(脉冲单体的后端不同于脉冲单体尾部，脉冲单体在喷嘴内部不存在尾部，脉冲单体离开喷嘴出水孔时才形成尾部)。所述脉冲单体在本发明所述喷嘴中向前运动时对所述喷嘴内壁也存在一定压力，当所述脉冲单体离开所述喷嘴时，所述脉冲单体的前端失去所述喷嘴内壁的束缚后迅速向径向膨胀，在前述内部环流以及液体表面张力的作用下所述脉冲单体前端趋于球形，形成脉冲单体的头部，由于所述脉冲单体后端的液体运动速度大于所述脉冲单体前端的液体的运动速度，因此所述脉冲单体前端离开所述喷嘴后，所述脉冲单体后端将快速通过所述喷嘴的出水孔，追上所述脉冲单体的前端，随后相互融合形成液滴，并在表面张力和所述内部环流的作用下逐渐趋于球形。

所述喷嘴的出水孔的面积为所述弧形管横截面积的0.6至1倍，由于出水孔的面积比所述弧形管横截面积小，所述脉冲单体内的液体在通过所述出水孔时受到压缩(所述出水孔具有一定厚度)，密度增大，脱离所述出水孔的束缚后迅速向径向膨胀，所述出水孔越小，所述脉冲单体前端离开所述出水孔后向径向膨胀的趋势越大，形成的液滴头部越趋于肥大，液滴的尾部越趋于尖细，液滴趋于豆芽形，所述出水孔越大，所述脉冲单体前端离开所述出水孔后径向膨胀的趋势越小，液体在轴向的分布趋于变长，液滴趋于萝卜形，所述出水孔的横截面积小于所述喷嘴横截面积的0.6倍时，所述脉冲流体通过所述出水孔后将形成过于细长的棒状尾部，容易随机断裂为若干部分。所述出水孔为椭圆形时，其短轴和长轴比值区间为0.75-1，所述比值越小，所述出水孔越扁平，扁平的出水孔比面积相同的圆孔具有更长的周长，与所述脉冲单体的接触点位更多，所述脉冲单体通过椭圆孔比通过面积相同的圆孔损失更多的能量，所述比值小于0.75时，所述脉冲单体形成液滴的过程将受到明显影响，此外，椭圆形出水孔对液滴形成时的形状有特殊影响，出水孔为椭圆形且短轴方向指向所述喷嘴进水端时，由于椭圆形出水孔比圆形出水孔扁，所述脉冲单体离开椭圆形出水孔时液体趋向出水孔长轴方向分布，在所述离心力、内部环流的作用下，液滴形成具有偏扁而向前凸出的头部，与肥厚的植物子叶形状相似，称为子叶形液滴，椭圆形出水孔的短轴和长轴比值越小，形成的液滴头部越扁，越向前凸出，当椭圆形出水孔的短轴和长轴比值趋近于0.75时，形成的液滴头部趋向于扇形，形状类似猫的脚掌，称为猫爪形液滴。所述豆芽形液滴、萝卜形液滴、子叶形液滴、猫爪形液滴都是所述脉冲单体刚离开出水孔时形成的液滴形状，随后在液体表面张力的作用下都将趋于球形液滴。

由于所述出水孔对液滴形成过程的形状变化有修正作用，所述喷嘴的内径具有较大的选择范围，所述喷嘴的内直径为一个脉冲单体所包含液体的等体积球体的直径的0.72-1.25倍。喷嘴内径过小，则所述脉冲单体在所述喷嘴内的形状过于细长，喷嘴内径过大，则所述脉冲单体在所述喷嘴内的形状过于扁平，均不利于所述内部环流的形成，后续液滴形成过程的重复性将变差。

本发明所述的方法是通过改变所述出水孔的面积和形状来定向改变液滴形成时的形状：在其他参数不变的情况下，增大所述出水孔面积，所述脉冲流体离开所述喷嘴时形成的液滴形状将变长，趋于萝卜形，而减小所述出水孔面积，所述脉冲流体离开所述喷嘴时形成的液滴形状将变短，趋于豆芽形；出水孔为椭圆形且短轴方向指向所述喷嘴进水端，在其他参数不变的情况下，减小椭圆形出水孔的短轴和长轴比值，所述脉冲流体离开所述喷嘴时形成的液滴形状将趋于越扁越大，形成子叶形液滴，继续减小所述比值，液滴形状趋向于猫爪形。

所述脉冲流体通过所述喷嘴转化成均匀球形液滴的过程是连续变化的，前述萝卜形液滴、豆芽形液滴、子叶形液滴、猫爪形液滴均是所述脉冲流体刚转化为液滴时的形态，随后在液体表面张力和所述内部环流的作用下均迅速趋于球形。

根据以上技术方案可知，本发明具有以下积极效果：

本发明所述的喷嘴利用脉冲流体的固有力学特征达到将脉冲流体转化成均匀球形液滴的目的，通过所述喷嘴的弧形部分让液滴产生一定程度的自转，避免产生飘晃现象，同时，通过改变所述喷嘴上的出水孔的面积和形状对脉冲流体形成球形液滴过程中的形状变化进行定向控制，对液滴形成时的形状进行控制是现有技术鲜有提及的，将对相关领域的研究起到促进作用。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

图3为图1中所述喷嘴的安装示意图；

图4为图1所述喷嘴的工作原理示意图；

图5为萝卜形液滴示意图；

图6为豆芽形液滴示意图；

图7为子叶形液滴示意图；

图8为图7所述子叶形液滴的立体图；

图9为猫爪形液滴示意图；

图10为图9所述猫爪形液滴的立体图。

附图标记说明如下：

1-喷嘴，2-喷嘴出水端，3-喷嘴帽，4-出水孔，5-喷嘴进水端，6-一体型喷嘴，7-出水孔，8-连接管，9-电磁振动泵，10-位于后部的脉冲单体，11-脉冲单体尾部，12-脉冲单体，13-脉冲单体头部，14-烛焰形液滴，15-脉冲流体，16-喷嘴外侧内壁，17-出水孔，18-萝卜形液滴，19-出水孔，20-豆芽形液滴，21-出水孔，22-子叶形液滴，23-出水孔，24-猫爪形液滴。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本申请公开内容更清楚的理解，其中上、下、左、右、前、后、顺时针等指示方向的字词仅是针对所示结构在对应附图中的位置而言。然而，本领域的技术人员可能会意识到其中的一个或多个的具体细节描述可以被省略，或者还可以采用其他的方法、组件或材料。在一些例子中，一些实施方式并没有描述或没有详细的描述。本发明所说的“连接”，如无特别说明，均包括直接和间接的连接。

实施例一：

图1为本发明的实施例一的结构示意图。图1中所述喷嘴1由一段弧形管和喷嘴帽3组成，喷嘴帽3安装于喷嘴出水端2上，图3为本实施例中喷嘴1在专利2017219262274所述水幕装置中的具体安装方式，如图3所示，喷嘴1通过连接管8与电磁振动泵9连通，电磁振动泵9由220v50hz电源驱动，产生的脉冲流体的流量为每分钟600ml，由工作原理可知电磁振动泵9每秒产生50个脉冲单体，由此可以计算出单个脉冲单体的体积为0.2ml，即所述脉冲流体一个脉冲周期所包含的液体体积为0.2ml，其等体积球体的直径约为7.26mm，因此喷嘴6的内直径介于5.23-9.08mm均可，如图3所示，本实施例中，喷嘴1内直径取7mm，长度取100mm，喷嘴进水端5到喷嘴出水端2的中心线的切线的转角为150°，出水孔4为直径6mm的圆孔。

图4为喷嘴1将脉冲流体15转化为液滴的原理示意图，如图4所示，电磁振动泵9产生的脉冲流体15从喷嘴进水端5进入喷嘴1，脉冲单体12比位于后部的脉冲单体10早进入喷嘴1，受到喷嘴1内壁的摩擦力作用而损失的动能较大，因此位于后部的脉冲单体10比脉冲单体12具有更大的动能，位于后部的脉冲单体10的头部对脉冲单体12的后端产生作用力，所述作用力的方向沿着位于后部的脉冲单体10的头部的瞬时运动方向，喷嘴1具有一定的弧度，所述作用力为短促的脉冲力，作用方向沿着该点位的切线方向指向喷嘴外侧内壁16，因此，脉冲单体12的后端受到的作用力具有偏向喷嘴外侧内壁16的分量，由于液体受到偏离原运动方向的作用力作用时会产生内部对流，位于后部的脉冲单体10产生的作用力使脉冲单体12的后端的部分液体产生沿喷嘴外侧内壁16向前运动的内部对流，这种内部对流无法突破相邻脉冲单体之间的界限，只能在脉冲单体12内部沿顺时针方向循环流动，形成内部环流，电磁振动泵9不断以脉冲的形式将作用力沿着喷嘴1传导至脉冲单体12的后端，喷嘴1的弧形部分使脉冲单体12的后端受到的每一次作用力都具有偏向喷嘴外侧内壁16的分量，不断强化脉冲单体12的内部环流，所有经过喷嘴1的脉冲单体均以相同的方式产生状态高度相似的内部环流；脉冲单体12离开喷嘴出水端2时，通过出水孔4的液体受到挤压而产生弹性势能，随后脱离出水孔4的束缚后所述弹性势能迅速释放，使脉冲单体12前端的部分液体向径向膨胀，形成脉冲单体头部13，在表面张力的作用下脉冲单体头部13在外观上趋于球形，此外，脉冲单体12在沿喷嘴1的弧形部分向前运动时，惯性产生的离心力使脉冲单体12沿喷嘴1运动时紧贴喷嘴外侧内壁16，当脉冲单体12离开出水孔4时，离心力的作用使脉冲单体头部13向离心力作用方向凸出，此时脉冲单体尾部11与位于后部的脉冲单体10的头部仍相互黏连，脉冲单体尾部11在液体表面张力、重力的作用下逐渐远离位于后部的脉冲单体10的头部，由于位于后部的脉冲单体10的头部具有速度较快的内部环流，使得脉冲单体尾部11在剪切作用下和位于后部的脉冲单体10的头部逐渐分离，随后形成烛焰形液滴14，由于使脉冲单体12向前运动的作用力首先作用于脉冲单体12的后端，由脉冲单体12的后端推动脉冲单体12的前端运动，因而脉冲单体尾部11的运动速度比脉冲单体头部13快，烛焰形液滴14的尾部会快速向其头部靠近并混溶，液体表面张力使烛焰形液滴14迅速趋于球形液滴，同时烛焰形液滴14的内部环流转化为球形液滴的自旋，自旋方向为顺时针方向。

下面通过附图介绍控制液滴形成时的形状的具体方法：

图5为脉冲流体15通过喷嘴1形成萝卜形液滴18的过程示意图，图5中所示的出水孔17的面积比图4所示的出水孔4大，脉冲单体通过出水孔7时受挤压程度较小，其内部液体向径向膨胀幅度较小，使得萝卜形液滴18形成较长的外形；图6为脉冲流体15通过喷嘴1形成豆芽形液滴20的过程示意图，图6中所示的出水孔19的面积比图4所示的出水孔4小，脉冲单体通过出水孔19时受挤压程度较大，其内部液体向径向膨胀的趋势更大，使得豆芽形液滴20的液体分布更趋于集中，趋于球形，出水孔4、出水孔17、出水孔19均为圆形出水孔，因此，出水孔为圆形时，其他参数不变，增大出水孔的面积，液滴形成时的形状趋向萝卜形液滴18，减小出水孔的面积，液滴形状趋向豆芽形液滴20。

图7为子叶形液滴22的侧面投影形状，图8为子叶形液滴22的立体形状，图9为猫爪形液滴24的侧面形状，图10为猫爪形液滴24的立体形状，如图8所示，出水孔21的形状为椭圆形，所述椭圆形的短轴指向喷嘴进水端5的方向，脉冲单体通过出水孔21时趋于向所述椭圆形的长轴方向分布，整体形状趋于扁平，脉冲单体的液体在出水孔21的短轴方向上受到较大的压缩，离开出水孔21后，在离心力和内部环流的作用下脉冲单体的头部向前凸出较为明显，形成子叶形液滴22；如图10所示，出水孔23的形状为椭圆形，所述椭圆形的短轴指向喷嘴进水端5的方向，由于出水孔23的短轴和长轴的比值比出水孔21的短轴和长轴的比值小，脉冲单体通过出水孔23时在所述椭圆形长轴方向的分布比通过出水孔21时更大，脉冲单体的液体在出水孔23的短轴方向上受到更大的压缩，离开出水孔23后，在离心力和内部环流的作用下脉冲单体的大部分液体聚集在其头部并趋于扇形，同时形成圆锥形的短小尾部，其形状与猫的脚掌相似，称为猫爪形液滴24。因此，出水孔为椭圆形时，其他参数不变(包括出水孔的面积)，减小出水孔的短轴和长轴的比值，液滴形成时趋向猫爪形液滴24，增大出水孔的短轴和长轴的比值，液滴形成时趋向子叶形液滴22。

图5中出水孔17具有较大的面积，因而形成形状较长的萝卜形液滴18，不改变出水孔17的面积，仅增加电磁振动泵9的工作电压，可以使脉冲流体15通过出水孔17后产生的液滴形成与烛焰形液滴12相同的形状，继续增加电磁振动泵9的工作电压，可以使脉冲流体15通过出水孔17后产生的液滴形成与豆芽形液滴20相同的形状，这是因为增加了电磁振动泵9的工作电压，脉冲单体获得的动能也变大，对喷嘴1内壁产生更大的压力，离开出水孔17时，脉冲单体内的液体向径向膨胀的趋势也会增加，因此，使用本发明所述喷嘴，专利2017219262274所述装置可以在保证液滴形状的前提下大幅降低工作电压，更加节能和安全，振子产生的噪音也更小。另外本发明所述喷嘴可以通过选择不同面积和形状的出水孔产生不同形状的液滴，增加了液滴形状的多样性，烛焰形液滴12、萝卜形液滴18、豆芽形液滴20、子叶形液滴22、猫爪形液滴24均可在专利2017219262274中描述的led闪烁灯照射下用肉眼观察到。

图4所示脉冲流体15在喷嘴1中的形状是为了方便说明喷嘴1的作用原理而简化了的示意图，烛焰形液滴12、萝卜形液滴18、豆芽形液滴20、子叶形液滴22、猫爪形液滴24五种液滴形状仅是为了方便说明本发明所述喷嘴的效果以及控制液滴形成时的形状的方法，实际实验中，液滴形成时的形状远不止上述三种形状，不同形状之间也存在连续的过渡形状，本说明书通过经典力学定律推导出所述内部环流和离心力的形成原理及其在脉冲流体分离成均匀球形液滴过程中的作用机制，烛焰形液滴12、萝卜形液滴18、豆芽形液滴20、子叶形液滴22、猫爪形液滴24的形成及其后续变化过程则印证了所述推论的合理性。

从基本物理定律进行推导，可以发现脉冲流体通过弯曲的管道时产生离心力作用和所述内部环流是普遍存在的物理现象，但由于在日常生活中无法用肉眼观察到所述现象，对所述现象的研究一直处于欠缺状态，本发明所述喷嘴和控制液滴形成时的形状的方法将有助于相关领域的深入研究。

实施例二：

如图2所示，一体式喷嘴6为本发明另一实施方式示意图，出水孔7的边缘由一体式喷嘴6本身的材料通过缩口技术制作成型，而实施例一中所述的喷嘴1为组合式喷嘴，出水孔4设于喷嘴帽3上，喷嘴1和一体式喷嘴6的工作原理相同，当喷嘴1和一体式喷嘴6的形状相同、出水孔4和出水孔7的面积和形状也相同时，喷嘴1和一体式喷嘴6可相互替代，二者产生的液滴效果相同。一体式喷嘴6结构更简单，制造成本更低，喷嘴1需要分为两个部分制造，但可以通过更换喷嘴帽3来改变出水孔4的面积和形状，以取得不同的液滴效果，可以根据实际需要选择应用。