专利名称：可控共振式超音速气体喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可控共振式超音速气体喷嘴。它可以产生可控高强度振动或旋转振动气流。可以应用在喷射雾化冶金、大强度声波或超声波及动力等技术领域。
背景技术：
本发明源于对喷射雾化冶金技术的研究，但本发明的意义超越了这项技术应用本身。喷射雾化冶金技术是近二三十年来新兴的冶金工艺，发展非常快，其中超音速气体雾化技术因其产品性能的优越备受关注。此项技术的关键之处在于产生高频振动的高速气流。而高频振动的产生原因是由于存在一种称之为Hartmann共振管的结构。Hartmann共振管又称Hartmann哨，由两截细管段组成，由其一管段吹气入底部封闭的另一管段，产生哨音。Hartmann共振管在现实中有非常多的应用，如利用其振动效应的烟尘沉降、燃料预混、主动控制、噪音抑制及喷射雾化等，利用其热效应的火箭发动机点火器、新型电冰箱制冷机等。Hartmann共振管具有多种形态,喷射雾化冶金技术中所采用的USGA (Ultra-SonicGas Atomization)喷嘴US7118052B2就是它的一种变化。USGA喷嘴可以产生带有高频振动的超音速气流，使得雾化产品品质优良，有颗粒分布集中的特点。USGA喷嘴在喷射雾化冶金技术有着重要的地位。不过，USGA喷嘴也有自己的缺点。其产生的高频振动的气流马赫数需较高，起振难度大，振动的振幅较小；气流速度非常大时反而压抑了有益的气体振动；振动特性是喷嘴被加工出来时就确定的，不能调节，不能适用多状况下的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种可控共振式超音速气体喷嘴，可以获得简单色系、高强度、周期性不衰减压力波和流量波及振幅和频率可调控的脉动气流、或者旋动和脉动复合运动气流。为达到上述目的，本发明的构思是本发明的可控共振式超音速气体喷嘴，具有喷嘴体。喷嘴体是喷嘴的主要实体环形构件，相关的腔体和通道主要设置在喷嘴体上，其实体外侧、上端面和内侧构成U形槽环。喷嘴体内侧实体部分横截面为近直角梯形形状，其倾斜边形成的环面构成U形槽环内侧壁面，垂直边形成的环面构成主激励器的安装面，平行短边形成的环面构成二次激励器的安装面，平行长边形成的环面构成气体出口端的开孔面。喷嘴体内侧环形实体上开有两组以上十字形通孔，其开孔方向与主激励器和二次激励器的安装面分别成垂直或者平行关系。本发明的可控共振式超音速气体喷嘴，具有底盘。底盘是一快盘片，是可控共振式超音速气体喷嘴的下底面，底盘和U形槽环的敞口面相接合，形成封闭的腔体；底盘也可以设计为和喷嘴体实体相连的一体式结构。本发明的可控共振式超音速气体喷嘴，具有储气腔。储气腔是底盘和喷嘴体U形槽环围成的空腔，起到稳定入流和保护上游设备的缓冲作用。本发明的可控共振式超音速气体喷嘴，具有气体入口。气体入口开口于喷嘴体外侧，可以为一组或多组，它提供了稳定的气体来源，保障可控共振式超音速气体喷嘴工作介质的存在；输入的气体由外接的高压气源提供。本发明的可控共振式超音速气体喷嘴，具有主激励器。主激励器的作用是产生可控制的气体振动，可以由零质量射流装置来实现，可以有压电膜振动式、活塞振动式、记忆合金振动式、声波激励式或者其它可以产生气流振动的装置组成，其信号的幅度、频率和相位可调控。本发明的可控共振式超音速气体喷嘴，具有二次激励器。二次激励器的作用是协同主激励器工作，强化振动的效应。也可以由零质量射流来实现，可以有压电膜振动式、活塞振动式、记忆合金振动式、声波激励式或者其它可以产生气流振动的装置组成，其信号的幅度、频率和相位可调控。本发明的可控共振式超音速气体喷嘴，具有十字形通孔。十字形通孔由垂直相交的通孔构成，十字形通孔有四个端孔，其一指向U形槽环内侧壁面，连接储气腔，其二指向直角梯形的平行短边环面，连接二次激励器，其三指向直角梯形的垂直边环面，连接主激励器，其四是指向直角梯形的平行长边环面，形成气体出□。本发明的可控共振式超音速气体喷嘴，具有气体出口端。气体出口端产生简单色系、高强度、周期性不衰减压力波和流量波及振幅和频率可调控的脉动气流、或者旋动和脉动复合运动气流。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案一种可控共振式超音速气体喷嘴，它包括一个喷嘴体，一块底盘，多组主激励器和二次激励器。喷嘴体是一个中部为台锥体的环形罩壳，其中部的台锥体中心有异型孔腔，该异型孔腔呈一个下台锥形空腔上串接一个上倒台锥形空腔；所述喷嘴体的环形罩壳和中部台锥体的下底面与所述底盘贴合连接，形成一个封闭的环形储气腔；所述喷嘴体中部台锥体上开有两组以上十字通孔，其中一通孔使所述环形储气腔连通所述异型孔腔的上倒台锥形空腔，其出口端安装所述主激励器；而另一通孔使喷嘴体上侧空间连通所述异型孔腔的下台锥形空间，其入口端安装所述二次激励器，而出口端接通下台锥形空腔；所述喷嘴体环形罩壳外侧面上设有气体入口，将气体输入到环形储气腔。上述主激励器和二次激励器所提供的激励信号可以由零质量射流装置来实现，零质量射流装置为压电膜振动式装置、或活塞振动式装置、或记忆合金振动式装置、或声波激励式装置。上述主激励器和二次激励器提供的信号，其振幅、频率、相位可控，可以以同步方式或者异步方式运行，当激励频率为十字通道的固有频率时，可以获得共振峰值。固有频率由管道的几何特征所决定，通常不止一个，可以分为局部几何因素造成的固有频率，其大小可以用f = c/(4L)估计，其中f为固有频率，c为当地声速，L为连接主激励器的十字形通孔的端孔的有效长度；也可以分为全局的几何因素造成的固有频率，其大小根据具体的十字通道的各端孔尺寸变化而不同，一般较难估计。上述的各组主激励器、二次激励器对可以配合使用，通过采用不同的激励信号相位、频率、幅度产生不同的射流流场，是稳定流场、或者脉动流场、或者脉动和旋动复合的气流流场。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点采用本发明可获得超音速气流，通过引入可控的主、二次激励信号，利用十字形孔道的声学共振特性，使得出口气流和激波系发生振幅和频率可调的脉动、旋动和脉动复合运动。采用本发明的装置气体喷嘴输出振动能量可以由激励输入端输入流量幅度调节，可以获得比不加激励的装置大得多的振动幅值。采用本发明的装置在较低流速和压力下仍能起振，启动速度快；在外加条件不变时，压力波和流量波波动幅度不会衰减，工作能保持较高稳定水平。由此，采用本发明可以获得可控、稳定、高强度、简单色系气体幅度、频率、相位可调的压力波和流量波，使得喷嘴气体射流按照预设或者一般或者脉动或者旋动脉动复合或者更加复杂的方式运动。
图1可控共振式超音速气体喷嘴结构示意图。图2典型射流运动模式示意图，其中图(a)为一般的射流模式；图(b)脉动模式；图(C)旋动脉动模式。图3典型单十字形管内无激励时压力波传播计算图(一个周期)。图4典型单十字形管内主激励器、二次激励器协同作用时的压力波传播计算图(一个周期)。图5典型单十字形管内激励时的频率-响应振幅计算图。图6典型单十字形管内主激励器、二次激励器信号存在相位差时的振幅随相位差变化的曲线计算图。图7典型激励器结构示意图，其中图(a)为压电膜振动式；图(b)为活塞振动式；图(d)为记忆合金振动式；图(C)为声波激励式。
具体实施例方式本发明的一个优选实施例结合
如下实施例一参见图1，本可控共振式超音速气体喷嘴，包括一个喷嘴体I，一块底盘7，多组主激励器3和二次激励器2。喷嘴体I是一个中部为台锥体的环形罩壳，其中部的台锥体中心有异型孔腔，该异型孔腔呈一个下台锥形空腔上串接一个上倒台锥形空腔；所述喷嘴体I的环形罩壳和中部台锥体的下底面与所述底盘7贴合连接，形成一个封闭的环形储气腔4 ;所述喷嘴体I中部台锥体上开有两组以上十字通孔8，其中一通孔使所述环形储气腔4连通所述异型孔腔的上倒台锥形空腔，其出口端安装所述主激励器3 ;而另一通孔使喷嘴体I上侧空间连通所述异型孔腔的下台锥形空间，其入口端安装所述二次激励器2，而出口端6接通下台锥形空腔；所述喷嘴体I环形罩壳外侧面上设有气体入口 5，气体由气体入口 5进入储气腔4，再进入十字形通孔8，发生孔道内部的气体共振后，气体在气体出口端6高速喷出，实现可控共振式超音速气体喷嘴的功能。实施例二 参见图1和图2，本实施例与实施例一原理相同，特别之处是各组主激励器3、二次激励器2配合使用，通过控制激励信号的相位、频率、幅度，产生不同类型的射流流场(a) 一般的稳定流场；(b)脉动流场；(C)脉动和旋动复合流场。实施例三参见图1和图3，本实施例与实施例一原理相同，特别之处是给出了典型的单十字形管内无激励时压力波传播计算图(一个周期)。计算所取参数为进出口总压比R =1. 6，管径D = 3. 6mm，共振管长L = 2D。可以看到十字管道内气流压力场呈周期性脉动特征。实施例四参见图1和图4，本实施例与实施例一原理相同，几何参数与实施例三相同，特别之处是存在激励信号，图4给出了典型的单十字形管内主激励器、二次激励器协同作用时的压力波传播计算图(一个周期)激励器所选参数为激励频率f =喷嘴固有频率(10895Hz)，激励振幅均为A = O. 1，相位差为O。可以看到十字管道内气流压力场呈周期性脉动特征与实施例三中的结果显著不同。实施例五参见图1和图5,本实施例与实施例一原理相同，几何参数与实施例三相同，激励的振幅和相位差参数与实施例四相同，特别之处是激励的频率是变化的，图5给出了典型的单十字形管内激励时的频率-响应振幅计算图。表明对不同的激励频率，获得的压力响应和质量流率响应是不同的，并且存在多个峰值，即共振会在多个频率发生。实施例六参见图1和图6,本实施例与实施例一原理相同,几何参数与实施例三相同，激励的振幅和频率参数与实施例四相同，特别之处是主激励器和二次激励器所施加信号的相位差是变化的，图6给出了典型的单十字形管内主激励器、二次激励器信号存在相位差时的振幅随相位差变化的曲线计算图。可以看到激励器相位差的存在对压力响应和质量流率响应存在非常大的影响。实施例七参见图1和图7，本实施例与实施例一原理相同，特别之处是上述主动激励器3和二次激励器2为主动控制部件，为零质量射流提供装置，可以是由压电膜振动式(图(a))、或者活塞振动式(图(b))、或者声波激励式(图(C))、或者记忆合金振动式(图(d))或者其它可以产生气流振动的构件组成。
权利要求
1.一种可控共振式超音速气体喷嘴，包括一个喷嘴体(I)，一块底盘(7)，多组主激励器(3)和二次激励器(2)，其特征在于 1)所述喷嘴体(I)是一个中部为台锥体的环形罩壳，其中部的台锥体中心有异型孔腔，该异型孔腔呈一个下台锥形空腔上串接一个上倒台锥形空腔；所述喷嘴体(I)的环形罩壳和中部台锥体的下底面与所述底盘(7)贴合连接，形成一个封闭的环形储气腔(4)； 2)所述喷嘴体(I)中部台锥体上开有两组以上十字通孔(8)，其中一通孔使所述环形储气腔(4)连通所述异型孔腔的上倒台锥形空腔，其出口端安装所述主激励器(3);而另一通孔使喷嘴体(I)上侧空间连通所述异型孔腔的下台锥形空间，其入口端安装所述二次激励器(2)，而出口端(6)接通下台锥形空腔； 3)所述喷嘴体(I)环形罩壳外侧面上设有气体入口(5)，将气体输入到环形储气腔⑷。
2.根据权利要求1所述的可控共振式超音速气体喷嘴，其特征在于所述主激励器(3)和二次激励器(2)激励信号由零质量射流装置来实现，为压电膜振动式激励装置、或活塞振动式激励装置、或记忆合金振动式激励装置、或声波激励式激励装置，其激励振幅、频率以及信号的相位能够调节。
3.根据权利要求1所述的可控共振式超音速气体喷嘴，其特征在于所述输入环形储气腔(4)的气体由外部高压气源提供。
全文摘要
本发明涉及一种可控共振式超音速气体喷嘴。它包括一个喷嘴体，一块底盘，多组主激励器和二次激励器。喷嘴体是一个中部为台锥体的环形罩壳，中部台锥体中心有异型孔腔，呈一个下台锥形空腔上串接一个上倒台锥形空腔。喷嘴体的环形罩壳和中部台锥体的下底面与底盘贴合连接，形成一个封闭的环形储气腔；中部台锥体上开有两组以上十字通孔，其中一通孔使环形储气腔连通上倒台锥形空腔，出口端安装主激励器，另一通孔使喷嘴体上侧空间连通下台锥形空间，入口端安装二次激励器，而出口端接通下台锥形空腔。本发明不仅可以放大喷嘴的气体振动效果，还可以使得出口气流和激波系产生振幅和频率可调的脉动或者脉动和旋动复合的运动形式，可用于流体雾化、声学或者动力等领域。
文档编号B05B17/04GK103056060SQ20101021546
公开日2013年4月24日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者王志亮, 祖洪彪 申请人:上海大学