一种基于特斯拉阀的合成双射流连续微泵

1.本实用新型涉及单相及多相掺混流体运输技术领域，具体是一种基于特斯拉阀的合成双射流连续微泵。


背景技术：

2.微泵在航空航天、机器人、汽车制造、微型机械、射流加工等领域具有广泛的应用前景。微泵按照不同的流量特征主要分为两大类：往复式微泵和连续流微泵。往复式微泵利用机械部件振动来实现流体传输，其工作原理清晰简单，适用范围广，但受振动部件周期性运动影响，流体流量不稳定具有周期性波动，难以提供连续稳定的流体传输，周期波动产生的不稳定冲击对管道和器件都会造成不利影响。此外，由于传统的往复式微泵一般都由外部电机驱动机械活塞往复运动来完成对流体的运输，因此都需要附加驱动电机，难以实现微型化。随着微泵在各个领域的发展，对微泵运输能力也提出了更高的要求，朝着高效率高能量的方向发展，往复式微泵虽然能够通过提高驱动电机电压使机械运动活塞速度更高来提高运输能量，但也会因为活塞的高速运动使得结构受振动影响更加明显，导致微泵稳定性变差，寿命更短，对零部件也有更高的要求。
3.连续流微泵由于没有往复式的机械部件，因此结构较往复式微泵来说更简单，可以实现连续稳定的流体运输，但是连续流微泵受流体性质的影响，其工作性能会随着流体的改变而改变，只适合用于很少一部分流体，并且很难用于气体的运输。专利cn101397988a虽然提供了一种基于合成双射流的连续流微泵，在低频条件下具有良好的运输效果，但其在高频条件下会出现“自持”效应，当激励器频率较高时，射流刚从射流吼道吹出便被吸回，无法向下游继续发展，而本实用新型是具有固定出入口的微泵，在高频条件下也能正常使用，不会发生自持现象。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中连续流微泵的缺点，以及多领域对微泵性能，泵送单向性以及适用范围的要求，本实用新型提供一种基于特斯拉阀的合成双射流连续微泵，该连续微泵能够利用特斯拉阀结构解决流体的回流问题，且流量稳定，可以应用于多相流掺混运输中。
5.为实现上述目的，本实用新型提供一种基于特斯拉阀的合成双射流连续微泵，包括合成双射流激励器以及喷嘴，所述合成双射流激励器上具有第一射流出口与第二射流出口，以产生相位相差180
°
的两股射流；
6.所述喷嘴内设有回流弯道以及沿直线依次连通的第一直流道、压缩流道与第二直流道，所述回流弯道的入口端与所述压缩流道相通，所述回流弯道的出口端与所述第一直流道相通，以使得所述喷嘴内构成特斯拉阀结构；
7.所述喷嘴的一端具有与所述第一直流道相通的流体入口，另一端具有与所述第二直流道相通流体出口，所述第一射流出口、所述第二射流出口均与所述流体入口连通，且所
述第一射流出口、所述第二射流出口与所述流体入口之间具有空气引射流道。
8.在另一个实施例中，所述流体入口的边缘壁面为向所述第一直流道方形内凹的斜壁面，其中一部分所述斜壁面正对所述第一射流出口，另一部分所述斜壁面正对所述第二射流出口。
9.在另一个实施例中，所述喷嘴内还具有至少一个多相流通道，所述多相流通道的一端位于所述喷嘴的外侧壁上，另一端位于所述斜壁面。
10.在另一个实施例中，合成双射流连续微泵还包括挡板；
11.所述挡板的一端连接在所述合成双射流激励器上所述第一射流出口与所述第二射流出口之间的位置，以将所述第一射流出口与所述第二射流出口分隔；
12.所述挡板的另一端经由所述流体入口伸入所述第一直流道，以将所述流体入口、所述第一直流道、所述回流弯道分隔为相互对称且不连通的两个部分。
13.在另一个实施例中，所述挡板与所述合成双射流激励器相连的一端为柯恩达壁面结构。
14.在另一个实施例中，所述流体出口为单个的圆孔、方孔或异形孔，或所述流体出口为若干阵列排布的圆孔、方孔或异形孔。
15.在另一个实施例中，所述第一射流出口、所述第二射流出口均为收缩型出口，以利用收缩型出口截面积由内向外不断缩小从而提升射流速度。
16.在另一个实施例中，所述空气引射流道为收缩型结构。
17.在另一个实施例中，所述合成双射流激励器包括中空的壳体，所述壳体内具有振动膜片，以将所述壳体内部分隔为互不相通的第一腔体与第二腔体；
18.所述第一射流出口设在所述壳体上且与所述第一腔体相通，所述第二射流出口设在所述壳体上且与所述第二腔体相通。
19.与现有技术相比，本实用新型提供的一种基于特斯拉阀的合成双射流连续微泵，具有如下有益技术效果：
20.1、本实用新型属于“零质量流量”微泵，无需任何附加气体来源，射流工质全部来自于外界空气，并在空气引射流道处在高速射流的卷吸效果下定向吸入，在具有特斯拉阀结构的喷嘴出口处定向吹出，实现流体的定向运输；
21.2、本实用新型利用特斯拉阀的单向性，解决了射流在喷嘴腔内由于压缩斜壁面阻碍而回流的问题，再通过回流弯道使这部分射流重新汇入主流，使得射流能量得到充分利用，下游流量也能得到保障；
22.3、本实用新型采用的多相流通道可以拓宽本实用新型的应用情景，可以根据不同的使用工况选择通入的颗粒的种类粒径、雾化液滴大小等等，在射流抛光加工，纳米工质强化散热、生物制药方面具有应用前景；
23.4、本实用新型整体结构小，总长度在10cm以内，易于微型化，能够用于各种狭小空间内，便于安装；外壳材料为树脂，重量轻，不会对所处环境造成重量负担。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅
是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
25.图1为本实用新型实施例中合成双射流连续微泵的整体结构剖视图；
26.图2为本实用新型实施例中合成双射流连续微泵中喷嘴的局部剖视图；
27.图3为本实用新型实施例中合成双射流连续微泵的运行原理图；
28.图4为本实用新型实施例中流体出口为单个方孔的实施方式示意图；
29.图5为本实用新型实施例中流体出口为单个圆孔的实施方式示意图；
30.图6为本实用新型实施例中流体出口为阵列圆孔的实施方式示意图；
31.图7为本实用新型实施例中合成双射流连续微泵一个周期的流场速度云图，其中，(a)为0或t时刻的流场速度云图，(b)为1/4t时刻的流场速度云图，(c)为1/2t时刻的流场速度云图，(d)为3/4t时刻的流场速度云图；
32.图8为本实用新型实施例中简单收缩型腔体连续微泵的形式示意图；
33.图9为本实用新型实施例中简单收缩型腔体连续微泵一个周期的流场速度云图，其中，(a)为0或t时刻的流场速度云图，(b)为1/4t时刻的流场速度云图，(c)为1/2t时刻的流场速度云图，(d)为3/4t时刻的流场速度云图。
34.附图标号：
35.合成双射流激励器1：第一射流出口101、第二射流出口102、壳体103、振动膜片104、第一腔体105与第二腔体106；
36.喷嘴2：回流弯道201、第一直流道202、压缩流道203、第二直流道204、流体入口205、流体出口206、斜壁面207、收缩壁面208；
37.空气引射流道3；
38.多相流通道4、多相流阀门401；
39.挡板5、柯恩达壁面结构501。
40.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
41.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
42.需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
43.另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
44.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可
以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
45.另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
46.如图1-2所示为本实施例公开的一种基于特斯拉阀的合成双射流连续微泵，其主要包括合成双射流激励器1与喷嘴2两个部分。合成双射流激励器1上具有第一射流出口101与第二射流出口102，以产生相位相差180
°
的两股射流；喷嘴2内设有回流弯道201以及沿直线依次连通的第一直流道202、压缩流道203与第二直流道204，回流弯道201的入口端与压缩流道203相通，回流弯道201的出口端与第一直流道202相通，以使得喷嘴2内构成特斯拉阀结构，其中，第一直流道202用于导通正向流入的气体，回流弯道201则用于收集流场下游因斜收缩壁面208而被阻挡回流的气体，并经过回流弯道201再次并入主流，第二直流道204位于特斯拉阀结构部分的下游，用于收集并稳定来自于特斯拉阀结构的气体，有助于流场下游的稳定性。喷嘴2的一端具有与第一直流道202相通的流体入口205，另一端具有与第二直流道204相通流体出口206，第一射流出口101、第二射流出口102均与流体入口205连通，且第一射流出口101、第二射流出口102与流体入口205之间具有空气引射流道3，空气引射流道3的一端与外部大气相通，另一端与流体入口205、第一射流出口101、第二射流出口102相通。
47.具体地，合成双射流激励器1包括中空的壳体103，壳体103内具有振动膜片104，以将壳体103的内部空间分隔为互不相通的第一腔体105与第二腔体106，图示中第一腔体105在左，第二腔体106在右。第一射流出口101设在壳体103上且与第一腔体105相通，第二射流出口102设在壳体103上且与第二腔体106相通。其中，振动膜片104为压电陶瓷片，振动膜片104在外连接周期性交变的驱动电源，当驱动电源启动后，振动膜片104将会往复振动，当振动膜片104向左振动时，第一腔体105的空气受到压缩，形成高压区，而与其相连的流体入口205以及第一直流道202内为低压区，气体由于压力差通过第一射流出口101流出第一腔体105，流入第一直流道202；另一边第二腔体106的空气则开始膨胀，形成低压区，与其相连的空气引射流道3内为高压区，气体由于压力差通过第二射流出口102从空气引射流道3流入第二腔体106。当振动膜片104运动反向时，气体运动规律亦相反。由此可见，本实施例的合成双射流激励器1部分分别在第一射流出口101和第二射流出口102处产生了两股相位相差180
°
的射流。
48.本实施例中，流体入口205的边缘壁面为向第一直流道202方形内凹的斜壁面207，其中一部分斜壁面207正对第一射流出口101，另一部分斜壁面207正对第二射流出口102。且喷嘴2内还具有至少一个多相流通道4，多相流通道4的一端位于喷嘴2的外侧壁上，另一端位于斜壁面207。在具体实施过程中，多相流通道4的数量为多个，且沿喷嘴2的中心线轴对称分布，从第一射流出口101、第二射流出口102射出的射流将会直接冲击斜壁面207上的多相流通道4，将此处的各相颗粒与液滴携带至喷嘴2内部流道的下游。此外，多相流通道4的出口设计在斜壁面207上，使得射流在冲击时损耗的能量较小，以维持下流流动。
49.进一步具体地，该连续微泵还挡板5，挡板5的一端连接在合成双射流激励器1上第一射流出口101与第二射流出口102之间的位置，以将第一射流出口101与第二射流出口102分隔；挡板5的另一端经由流体入口205伸入第一直流道202，以将流体入口205、第一直流道202、回流弯道201分隔为相互对称且不连通的两个部分。
50.参考图3，本实施例中连接微泵的工作过程为：从第一射流出口101和第二射流出口102流出的射流高速冲击流体入口205处的斜壁面207，射流在斜壁面207的引导下向第一直流道202流动，由于高速射流会形成低压区，使得喷嘴2内部气压低于外界大气压，外部空气在压差与射流卷吸的效果下，从引射流道流入喷嘴2内部，补充喷嘴2内部所需空气。在高速射流撞击流体入口205处斜壁面207的同时，射流将会携带由多相流通道4流入的颗粒粒子以及水雾粒子进入喷嘴2，并在喷嘴2内部进行掺混。流入第一直流道202的射流将会在挡板5的作用下，依附着挡板5继续向喷嘴2下游流动。由于压缩流道203的存在，使得喷嘴2内在对应压缩流道203的部分具有收缩壁面208，当射流流至第二直流道204前时，一部分射流会在撞击收缩壁面208后向腔体外侧的流体出口206流去，另一部分射流将在收缩壁面208的引导下回流弯道201，并通过回流弯道201重新流入第一直流道202汇入主流，避免了能量浪费。其次，当喷嘴2内的一侧处于吸程时，由于特斯拉阀结构的单向导通性，喷嘴2结构内部的气体不会被合成双射流激励器1部分重新吸回，保证了微泵的定向输运特性。左右两股射流主流在挡板5的引导下，在第二直流段前汇成一股主流，并经过第二直流段的稳定作用后，经由流体出口206流出喷嘴2结构。
51.在具体实施过程中，挡板5与合成双射流激励器1相连的一端为柯恩达壁面结构501，该柯恩达壁面结构501能充分利用柯恩达附壁效应，使射流刚从第一射流出口101、第二射流出口102流出时就附着在挡板5上。
52.在具体实施过程中，各多相流通道4上均具有多相流阀门401，多相流阀门401可以在使用中根据需要进行调节，通过调节多相流阀门401，可以达到纯空气流、空气-颗粒掺混流、空气-水雾掺混流、空气-水雾-颗粒掺混流等形式，通过调节多相流阀门401的开合大小，还能改变流场中的组分浓度，控制流场中水雾与颗粒的比例，取得良好的控制效果。
53.在具体实施过程中，可根据不同的使用情况将掺混腔出口(即流体出口206)设计成不同的形式，如需能量集中时，可设计为单个的圆孔、方孔或异形孔，即如图,4-5所示；如需扩大其作用面积，或者使射流均匀散布使，可设计为多孔型，如若干阵列排布的圆孔、方孔或异形孔，即如图6所示。根据不同的工况还能继续进行调整。
54.本实施例中，第一射流出口101、第二射流出口102均为收缩型出口，以利用收缩型出口截面积由内向外不断缩小从而提升射流速度。
55.本实施例中，空气引射流道3为收缩型结构，即空气引射流道3的截面面积由外向内逐渐缩小，进气过程中为顺压梯度，加速气体进入内部；还能阻止由第一射流出口101、第二射流出口102射出的气体直接通过空气引射流道3溢出，保证了微泵运输流体的单向性。
56.本实施例中的合成双射流连续微泵整体结构小，总长度在10cm以内，易于微型化，能够用于各种狭小空间内，便于安装；外壳材料为树脂，重量轻，不会对所处环境造成重量负担。
57.参考图7为本实施例中合成双射流连续微泵的初步仿真效果图，从图7可以看出，在一个周期内，两股射流交替从掺混腔出口流出，且空气均从空气引射流道3处流入，达到
理想设计要求。图8则为简单收缩型连续微泵，图9为其掺混腔的速度云图，可以看出掺混腔内由于太过空旷，且收缩式的出口壁面对射流还有一定的阻挡作用，射流在内部产生了回流。射流撞击收缩壁面以后，在斜壁面的引导下向外侧腔体的低压区流动，靠近挡板5也就是掺混腔中央部分的流场由于具有较高的速度，还会引导外侧腔体静止的空气向中央靠近。这样一吸一拉，空气便在整个掺混腔内产生了回流，这会浪费射流的大部分能量，使得射流在流出掺混腔后能量不足，速度降低，流场结构稳定性得不到保证。
58.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。