专利名称：喷嘴构造及建模系统的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及喷嘴性能优化领域，且更具体地涉及自动化的喷射参数和喷嘴选择。
背景技术：
喷嘴的应用涉及从材料涂覆到液体冷却的范围，其利用各种喷射工具及许多的喷嘴构造以便于与给定应用的具体需求相匹配。喷嘴应用的广泛范围需要仔细的分析喷射的注入参数，以便提出最优的喷嘴设计，以及以便将适当的喷嘴与期望的应用相匹配。诸如FLUENT的流量建模软件应用，采用离散相模型(DPM)，其可用于喷嘴特性的建模。然而，这样的建模软件需要用户具有复杂的喷射注入参数的知识，以便经过分析和喷嘴相匹配。建模喷嘴流量特性所必需的喷射注入参数包括水滴大小分布、喷射速度、以及在给定压力处的流速。这些参数必须先于任何喷射建模单独地获得和计算。例如，为了将喷射注入参数提供给建模软件，所有的数据必须被收集，且水滴大小分布必须被多次计算，例如基于来自于Dvo 5或D32数据表的Rosin 一 Rammler分布。此外，适当的喷嘴选择需要，在喷射系统涉及和需求描述阶段期间用户不可能知道的多个参数。估计喷嘴构造的先前方法受限于它们的准确度，这是因为它们缺少考虑诸如粘度和表面张力的、影响喷射角度的液体特性的能力。
发明内容
因此，本发明的目的为自动提出一种喷嘴及其运行条件，由此，用户指定系统的喷射性能，利用包括相关的喷嘴性能的检测数据，经由与包括粘度和表面张力的液体特性相匹配来被准确地近似。本发明的另一个目的为自动提供和计算喷射注入参数，以用于基于用户的输入喷射建模。本发明的另一个目的为进行与将喷射注入参数提供给喷射建模应用有关的初始喷射冷却设计。本发明的实施例被用于提供一种具有用户输入单元的喷射注入分析及喷嘴构造系统，该用户输入单元收集喷射系统输入参数，并将所收集的参数传递给液体性能匹配单元和/或问题几何条件单元以用于随后的处理。用户输入模块允许用户输入包括所期望的喷射液体特性的基本系统参数，以便从液体性能匹配单元获得包括喷嘴类型和数量的所建议的系统构造。可替换地，当用户已经知道所期望的喷嘴的类型及相关的系统参数时，用户输入单元从用户那里接收这样的信息，并将这些参数发送给问题几何条件单元以用于经由液体建模单元进行性能建模。优选地，用户输入单元为用户提供图形用户界面(GUI)以用于收集喷射系统输入参数并显示处理的结果。例如，当用户想要识别用于涂覆在传送带上移动的扁平材料或产品时，喷射系统输入参数包括喷射液体的类型(例如，油、水)和/或液体的比重、要被涂覆的物品的面、要被涂覆的物品的每一面的表面宽度(喷射宽度)、传送带速度、所期望的涂覆厚度、距要被涂覆的物品的每一面的喷射距离、喷嘴类型(例如，液压喷嘴还是空气喷雾喷嘴)、以及所期望的诸如喷嘴材料和入口连接类型及尺寸的喷嘴特性。响应于接收喷射系统输入参数，液体性能匹配单元将用户指定系统的喷射液体、涂覆和喷嘴信息与所收集的代表各种喷嘴和喷射液体构成的喷射性能(和/或喷雾性能)数据相匹配(或相近似)。液体性能匹配单元将用户指定参数与所收集的至少部分地基于各种喷射液体的粘度和表面张力的喷射性能数据相匹配。性能匹配单元104确定给定压力下的喷嘴流速(例如，基于指定的传送带速度)，该给定压力相应于与一个或多个喷嘴相关的特定喷射角度。在接收用户输入的所期望的喷射角度之后，液体性能匹配单元返回达到指定性能所需要的喷嘴的数量和类型。⑶I有助于问题几何条件文件(或“日志文件”)的自动形成，问题几何条件文件在液体建模单元内产生喷射注入。通过接收用户输入的特定压力下的喷嘴或流量条件，系统查询压力和流量曲线、可获得的水滴大小数据，并计算水滴大小分布和喷射速度。系统也足够灵活以便读取几何条件文件，以使得注入点和方向可通过使用GUI来容易地确定。系统包括可进行初始喷射冷却设计的处理。喷嘴和它的运行条件由“智能”查表表明并贯穿整个并入系统的数据库进行处理。
尽管附加的权利要求详细阐明了本发明的特征，根据结合附图的随后的详细说明，本发明及其优点将被最佳地理解，其中
图1为根据本发明的实施例所涉及的阐明用于喷射注入分析和喷嘴构造的系统的示意图2为根据本发明的实施例的图1的液体性能匹配单元的示意图； 图3为根据本发明的实施例的水喷射分布的示意图； 图4为根据本发明的实施例的喷射分布几何条件的示意图；以及图5-12为根据本发明的实施例的图1的使用者输入单元的图形用户界面(GUI)的涂覆模块的示意图。
具体实施例方式下面的示例进一步阐明了本发明，但不意味着限定所附加的权利要求的范围。参考图1，根据喷射注入分析和喷嘴构造环境，示出了本发明的实施例所涉及的系统的实施方式。为了有利于喷射系统的构造和喷嘴的选择，用户输入单元100收集喷射系统输入参数 102，并将所收集的参数传送给液体性能匹配单元104和/或问题几何条件单元106以用于随后的处理。用户输入模块允许用户输入包括所期望的喷射液体特性的基本系统参数，以便于从液体性能匹配单元104获得所建议的系统构造108，其包括喷嘴类型和数量。可替换地，当用户已经直到所期望的喷嘴类型及相关的系统参数时，用户输入单元100可从用户处接收这样的信息，并将这样的参数传送给问题几何条件单元106以用于经由液体建模单元110基于这些参数进行性能建模。在一个实施例中，用户输入单元100 包括处理器、显示器和计算机存储器，以用于存储和执行用于经由注入局域网(LAN)或互联网的网络连接112传递喷射系统参数102的指令。优选，用户输入单元100为用户提供图形用户界面(GUI)，应用于收集喷射系统输入参数102并显示处理的结果。例如，当用户想要识别用于涂覆在传送带上移动的扁平材料或产品时，喷射系统输入参数10 包括喷射液体的类型(例如，油、水)和/或液体的比重、要被涂覆的物品的面、要被涂覆的物品的每一面的表面宽度(喷射宽度)、传送带速度、所期望的涂覆厚度、距要被涂覆的物品的每一面的喷射距离、喷嘴类型(例如，液压喷嘴还是空气喷雾喷嘴)、以及所期望的诸如喷嘴材料和入口连接类型及尺寸的喷嘴特性。响应于接收喷射系统输入参数 102a，液体性能匹配单元104将用户指定系统的喷射液体、涂覆和喷嘴信息与所收集的代表各种喷嘴和喷射液体构成的喷射性能(和/或喷雾性能)数据相匹配(或相近似)。液体性能匹配单元104将用户指定参数10 与所收集的至少部分地基于各种喷射液体的粘度和表面张力的喷射性能数据相匹配。性能匹配单元104确定给定压力下的喷嘴流速(例如，基于指定的传送带速度)，该给定压力相应于与一个或多个喷嘴相关的特定喷射角度。在接收用户输入的所期望的喷射角度之后，液体性能匹配单元返回达到指定性能所需要的喷嘴的数量和类型。选择较小的喷射角度将需要多个喷嘴来覆盖指定的喷射区域，但是可产生多个均勻的覆盖范围。当用户已经知道所期望的喷嘴类型及相关的系统参数时，用户输入单元100将喷射系统输入参数102b传送给问题几何条件单元106以用于经由液体建模单元110进行性能建模。在该情况中，喷射系统输入参数102b包括喷嘴类型、喷嘴数量、流速和/或流动压力、以及喷嘴设置特性，诸如喷射角度、喷射距离和喷射宽度(即，所期望的喷射覆盖区域)。 反过来，问题几何条件单元106包括计算机执行的存储指令，以用于查询压力及流量曲线、 水滴大小数据，计算水滴大小分布和喷射速度，以及为液体建模单元110形成问题几何条件文件114。液体建模单元110读取问题几何条件文件114，并经由计算流体力学(CFD)分析确定注入点和方向。液体建模单元110包括一个或多个执行存储在存储器中的CFD应用指令的计算机。在一个实施例中，CFD应用为可从Ansys，Inc. of 10 Cavendish Court, Lebanon, NH 03766 获得的 FLUENT 软件。此外，本领域技术人员会理解，用户输入单元100、问题几何条件单元106、和液体性能匹配单元104可经由执行存储在计算机的存储器中的计算机可读指令的多个特殊目的的计算机来实施。可选择地，一个或多个单元100、104、106的功能可结合到单台特定目的的计算机或其他处理硬件和固件。参考图2，以附加的细节示出了液体性能匹配单元104的实施例。液体性能匹配单元104包括连接到喷嘴数据库204的匹配引擎200，该喷嘴数据库从一个或多个水滴尺寸分析器204收集喷射性能数据。在实施例中，水滴尺寸分析器204包括从各种喷嘴构造和喷射液体设定表中收集检测数据的光学成像分析器、马尔文分析器、光学阵列探头(0ΑΡ)、 或者相位多普勒粒子分析器(PDPA)，由喷嘴数据库204收集的检测数据包括关于各种喷嘴类型及相关喷嘴特性的信息，诸如喷嘴类型(例如，压力或空气喷雾)、喷嘴材料、入口连接类型(外孔、内孔)、入口连接大小。检测数据进一步包括关于检测喷嘴设定表中所使用的喷射液体的液体特性信息。具体地，液体特性数据包括与正在检测的喷射液体有关的液体粘度和表面张力数据。当液体性能匹配单元104从用户输入单元100接收喷射系统输入参数 102a时，匹配引擎200例示了具有用户数据102b的多维矩阵，以便将所接收的参数与存储在喷嘴数据库202中的喷嘴检测性能数据相匹配，以便提出与用户参数最准确匹配的喷嘴设定表建议。优选地，匹配引擎200按照用户指定的液体的粘度和/或表面张力优先化匹配标准，以便于更准确地与用户指定的喷射液体特性相匹配(例如，当没有检测到由用户指定的确切的液体时)。匹配引擎200也考虑到了用户指定的喷嘴特性、涂覆特性、和喷射表面几何条件。为了从存储在喷嘴数据库202的检测喷射数据中消除数据异常的影响，液体性能匹配单元104执行数据清理程序。参考图3，现实环境组件的实验检测引入了数据噪声(或数据异常)，其优选应从任何数据模型中消除。对于水分布分析的情形，喷嘴和实验装置的不对称性、以及喷嘴的缺点，都将“噪声”引入到数据中，由于非对称数据几乎使傅立叶(三角法)分析所需要的系数的数量翻倍，其应该倍消除。对付非对称数据的一个可能的方式为基本上找到一条“镜像”线，并随后利用来自于镜像线两侧的数据对数据取平均值。例如，考虑图3中示出的曲线图，其中，原始分布由参考标记300示出，而相应于参考标记302的分布代表通过在相应于最大的Y值的χ值处的“镜像”求得“平均”分布。该方法的一个方面在于，利用平均数据的分布(“覆盖范围”)的宽度明显比利用原始数据集的分布(“覆盖范围”)的宽度要宽。于是，一个问题为“哪个覆盖范围是正确的”？ 它也提出了“为什么该情形会发生？”的疑问。参考图4，让我们考虑喷射偏移或激光片光400不垂直于喷嘴的轴402的情形。不失一般性地，我们可考虑第二种情形。可看到，在该情形中，Ll > L2。结果将为类似于图3中的分布的分布。在“镜像” 操作之前，将β角从数据中移除是有利的。首先，我们注意到，Cl = C2。利用正弦定律，我们 可写
出， I利
或者对Cl求解，结果为，
用同样的，我们也可写出，++++++++=++++++++J^^:——::,或者对C2求解，结
果为 o￡^5Z!±fi￡.iiy。由于 Ci = C2,于是
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。然而，由于y) = SinCOT + :|,于是 -ι通(W-all-β) = L2Sll ) + β/2。然而，由于，
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Sinf9(l + 7| = ；,于是Ilcost— -f I = dUeos卜..-J。由于， ,. / 、，于是， SUM—Wt/, - , J /t i I1 2 1J - \2 /cos(—>·) = cosiy) J
i,㈧普命— [/ 。如果“镜像线，，是已知的(即，喷射分布的“真实中心，，)，那么，Ll
* ^f- UM
L2和α是已知的，这意味着，求解β是可能的。 可能存在β的闭合解，但是数字上求解β可能更容易。一旦β是已知的，于是 Cl = C2是已知的。利用理想的已知覆盖范围Cl，适当地缩放Ll和L2是可能的，这会移除分布中的任何偏斜。然而，不保证喷射是对称的。为此，使来自于修正偏斜的分布的左右半边的数据取平均是必需的。缩放必须仔细进行，这是因为修正偏斜使得从0到Ll的值之间的Δχ不同于从Ll到L2的值之间的ΔΧ。换句话说，应该选择固定的Axfixed(优选地，初始Δ χ)，且随后适当地置换修正偏斜的数据，并对置换的、修正偏斜的数据取平均。例如，考虑数据在下面的点χ =-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，和0.2处可获得的情形。让我们在O处取得镜像线，并假设我们发现，现在左侧为动0到-0. 24的范围，而右侧也为从0到0. 24的范围。在左侧，在-0. 08,-0. 16和-0. 24处具有数据点，而在右侧， 在0.12和0. M具有数据点。我们将不能对这些点取平均，这是因为它们不同步。然而，利用现有的数据，我们能在士0.1，士0.2，等等处置换强度数据。该置换的数据于是可被平均，其结果为修正偏斜的对称曲线。镜像线。上述分析中的重要考虑因素为确定Ll和L2的能力。优选地，镜像线不应固定在 50%的喷射标记处，而应位于“中心附近”，其中，“中心附近”被定义为从镜像线到喷射的左右两边出现至少45 %的喷射量的地方(即，镜像线位于45 %和55 %之间)。对于“中心附近” 的各种镜像线，执行上述所描述的分析，确定6次傅立叶级数，并计算均方残差。由于数据点的数量可变化，优选利用残差的均值而不是残差的和。当计算残差时，设想，对称曲线叠加在原始数据集上，共同的重叠点为镜像线。相应于最低平均残差的镜像线被视为“正确的”镜像线。优选地，理想镜像线位于50%喷射标记的2%内。分布与参数。理想地，每一个喷射都应为对称的。此外，对称喷射将使6次谐波傅立叶级数拟合的系数的数目从13减小到7，这将显著简化分析。因此，按照数据清楚建议，处理每个有意义的数据串。基于该分析，确定来自于最佳镜像线的系数。拟合系数。第一步要为每个“被清除”的数据串确定实际的系数。任意点X处的分布变化由 I= 给出，且其中，X被如此限制，X <π。当然，从-η到η的傅立叶级数分布必须缩放成实际的覆盖范围，其可按此处所讨论的方式计算。可从下表中看到每个数据串的系数AO的Α7。优选地，这些系数经由计算机可执行代码产生，诸如经由AutoIT源代码， 或者以编译程序产生。建模系数。每个系数被假设为喷射角度、流速、压力和喷射高度的独立函数。为了该分析选择的函数为
权利要求
1.一种为用户应用提供喷射系统构造的方法，该方法包括接收一组应用参数，其包括喷射系统的应用几何条件以及液体识别；将所接收的液体识别转换成估计液体参数集，其中，估计液体参数集包括至少近似于相应于液体识别的液体物理特性的一个或多个参数；基于应用几何条件以及估计液体参数集，指定解决方案的几何条件和解决方案参数集，其中，解决方案的几何条件包括处于与应用几何条件有关的指定方向的喷嘴的指定数量和类型，且解决方案参数集至少包括将液体供给到喷嘴的液体压力；以及将解决方案的几何条件提供给用户。
2.根据权利要求1的方法，其中，应用几何条件包括对于喷嘴位置的限制以及对于利用液体涂覆物品的应用需求。
3.根据权利要求2的方法，其中，应用几何条件进一步包括传送带速度。
4.根据权利要求1的方法，进一步包括经由图形用户界面接收应用参数集。
5.根据权利要求4的方法，其中，图形用户界面收集用户输入的液体识别，该液体识别来源于预定的液体列表。
6.根据权利要求1的方法，其中，估计液体参数集包括估计的粘度和估计的表面张力。
7.根据权利要求1的方法，其中，估计的解决方案参数集进一步包括相应于液体压力的流速。
8.一种计算机可读介质，其具有存储在其上的用于为用户应用提供喷射系统构造的计算机可执行指令，该指令包括接收一组应用参数，其包括喷射系统的应用几何条件以及液体识别；将所接收的液体识别转换成估计液体参数集，其中，估计液体参数集包括至少近似于相应于液体识别的液体物理特性的一个或多个参数；基于应用几何条件以及估计液体参数集，指定解决方案的几何条件和解决方案参数集，其中，解决方案的几何条件包括处于与应用几何条件有关的指定方向的喷嘴的指定数量和类型，且解决方案参数集至少包括将液体供给到喷嘴的液体压力；以及将解决方案的几何条件提供给用户。
9.根据权利要求8的计算机可读介质，其中，应用几何条件包括对于喷嘴位置的限制以及对于利用液体涂覆物品的应用需求。
10.根据权利要求9的计算机可读介质，其中，应用几何条件进一步包括传送带速度。
11.根据权利要求8的计算机可读介质，其中，指令进一步包括经由图形用户界面接收应用参数集。
12.根据权利要求11的计算机可读介质，其中，图形用户界面收集用户输入的液体识别，液体识别来源于预定的液体列表。
13.根据权利要求8的计算机可读介质，其中，估计液体参数集包括估计的粘度和估计的表面张力。
14.根据权利要求8的计算机可读介质，其中，估计的解决方案参数集进一步包括相应于液体压力的流速。
15.一种为喷射系统建模创建问题几何条件说明的方法，该方法包括经由图形用户界面接收用户输入的喷射系统构造参数，该喷射系统构造参数包括喷嘴类型、喷嘴数量、流速、以及喷嘴设置特性；为指定的喷射系统构造计算水滴大小分布；在计算机可读存储器上至少将水滴大小分布作为问题几何条件说明存储；以及将问题几何条件说明提供给用于喷射系统建模的液体建模单元。
16.根据权利要求15的方法，进一步包括在计算机可读存储器中查询压力曲线、流量曲线、以及水滴大小数据中的一个或多个。
17.根据权利要求15的方法，进一步包括计算喷射速度。
18.根据权利要求15的方法，其中，喷嘴设置特性包括喷射角度、喷射距离和喷射宽度中的一个或多个。
19.根据权利要求15的方法，其中，问题几何条件说明进一步包括压力参数、流量参数、水滴大小参数、以及喷射速度参数中的一个或多个。
20.根据权利要求15的方法，其中，液体建模单元读取问题几何条件说明，并经由计算机液体动态分析确定注入点及方向。
21.一种计算机可读介质，其具有存储在其上的用于为喷射系统建模创建问题几何条件说明的指令，该指令包括经由图形用户界面接收用户输入的喷射系统构造参数，该喷射系统构造参数包括喷嘴类型、喷嘴数量、流速、以及喷嘴设置特性；为指定的喷射系统构造计算水滴大小分布；在计算机可读存储器上至少将水滴大小分布作为问题几何条件说明存储；以及将问题几何条件说明提供给用于喷射系统建模的液体建模单元。
22.根据权利要求21的计算机可读介质，其中，指令进一步包括在计算机可读存储器中查询压力曲线、流量曲线、以及水滴大小数据中的一个或多个。
23.根据权利要求21的计算机可读介质，其中，指令进一步包括计算喷射速度。
24.根据权利要求21的计算机可读介质，其中，喷嘴设置特性包括喷射角度、喷射距离和喷射宽度中的一个或多个。
25.根据权利要求21的计算机可读介质，其中，问题几何条件说明进一步包括压力参数、流量参数、水滴大小参数、以及喷射速度参数中的一个或多个。
26.根据权利要求21的计算机可读介质，其中，液体建模单元读取问题几何条件说明，并经由计算机液体动态分析确定注入点及方向。
全文摘要
描述了一种喷射注入分析及喷嘴构造系统，其具有用户输入单元，该用户输入单元收集喷射系统输入参数，并将所收集的参数传递给液体性能匹配单元和/或问题几何条件单元以用于随后的处理。用户输入包括所期望的喷射液体特性的基本系统参数，以便获得包含喷嘴类型和数量的所建议的系统构造。通过将所期望的喷射液体的粘度和/或表面张力参数与所收集的性能数据的参数相近似，提高了所建议的喷嘴类型和构造的准确性。当用户已经知道所期望的喷嘴的类型及相关的系统参数时，用户输入单元将该信息发送给问题几何条件单元以用于创建包含计算水滴大小分布和喷射速度的问题几何条件文件，并经由液体建模单元进行性能建模。
文档编号B05C11/00GK102271823SQ200980154310
公开日2011年12月7日 申请日期2009年11月10日 优先权日2008年11月12日
发明者L. 克朗斯 K., J. 席克 R., 卡拉塔 W. 申请人:喷雾系统公司