一种仿生枪虾空化射流喷嘴及其设计方法

本发明属于射流喷嘴领域，具体为一种仿生枪虾空化射流喷嘴及其设计方法。

背景技术：

1、1897年巴纳比等人发现，轮船推进器在工作一段时间后，叶片边缘会产生大量蚀坑而导致效率严重下降，进而提出“空化”的概念。相关研究者们从空化所具有的强大水力侵蚀中看到了其潜在的应用，并将空化广泛应用于工业清洗，矿业钻探，化工生产和医学治疗等领域。当利用空化效应进行清洗时，由于空泡溃灭带来高能集中，使空化射流在相同的压力和流速下，清洗效果远优于高压水射流；同时所需清洗时间及耗水量比传统清洗方法少得多，节能环保；且能对易碎物品或制件，或外形结构比较复杂，具有深孔、窄缝进行清洗。

2、其中，空化射流喷嘴是一种产生空化气泡的装置，其工作原理是依据伯努利定律，使通过喷嘴结构输出射流的压强低于饱和蒸气压时，液体中的气核不断膨胀，生成空化气泡；当空化气泡到达高压强、低流速区域时，发生溃灭。现有产生空化射流的装置多为喷嘴与压力泵的组合形式，主要产生群聚性的空化气泡，形态呈云片状或雾团状，实质上是大量微小空化泡聚集呈现的宏观效果，这种形态的能量聚焦性不强，能量耗散随时间发散较为严重。

3、有别于现有的空化射流喷嘴所产生的群聚型空化气泡，自然界中的枪虾能够产生形态清晰、状态稳定、高能聚集和释能集中的空化气泡。而对于当前国内外枪虾射流空化气泡产出的相关研究，一方面，主要是利用逆向工程技术建模，并用等比例放大的枪虾模型来进行实验，但是没有考虑到枪虾大夹螯轮廓的复杂曲面，不利于后续的批量生产加工；另一方面，是针对枪虾枪虾大夹螯模型进行简化设计，以缩短加工制造周期和成本，但是都出现了类似于会对夹螯表面造成破坏的空化，而非射流空化的新问题。同时，在以上实验研究中均没有解决好枪虾仿生运动方案的矛盾点——高频率与高振幅不能很好匹配的问题。即在保证枪虾射流空化效果前提下，难以同时实现高质量空化气泡的连续产出，这是现有仿生枪虾模型的固有缺陷。现有模型易发生机械形变，易损坏，寿命短；易产生大幅振动，并伴随着大量的机械噪声，对自身结构强度要求极高。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明目的是提供一种高频率与高振幅匹配性好、能够产生良好质量的空化气泡的仿生枪虾空化射流喷嘴，本发明的另一目的是提供一种具有高频输出效率、成本较低的仿生枪虾空化射流喷嘴的设计方法。

2、技术方案：本发明所述的一种仿生枪虾空化射流喷嘴，包括入口段、腔室段和出口段，腔室段与出口段平滑过渡连接；腔室段包括依次平滑连接的第一曲面、第二曲面、第三曲面和第四曲面。

3、优选地，出口段最小直径、出口段长度、腔室段最大直径、腔室段长度、入口段长度、入口段直径之比为1:8:5:7:3:4。

4、进一步地，入口段为圆柱体形。

5、进一步地，当出口段最小直径为1mm时，第一曲面的直径为9.3mm，圆心角为27°；第二曲面的直径为9.4mm，圆心角为25°；第三曲面的直径为3.2mm，圆心角为55°；第四曲面的直径为4.5mm，圆心角为38°。

6、本发明所述的一种仿生枪虾空化射流喷嘴的设计方法，包括以下步骤：

7、步骤一，构建枪虾大夹螯剖面曲面的二维模型；

8、步骤二，将枪虾大夹螯闭合过程中形成的动态间隙，向静态喷嘴的结构进行映射，开展仿生的转化，分割枪虾大夹螯剖面曲线；

9、步骤三，基于步骤一的二维模型，通过离散化映射法，得到仿生空化射流喷嘴的结构，包括入口段、腔室段和出口段。

10、结合自然界中的枪虾，可以产生相较于现有空化喷嘴的高质量空化气泡这一特性，利用枪虾可以产生空化气泡的特有的动螯曲线，采用离散化映射的方法，将其转化设计为静态喷嘴结构，同时运用ansys cfd的二维空化射流仿真，对其结构进行优化，最终得到本发明的一种仿生枪虾空化射流喷嘴，实现空化气泡的高质量、高效率输出。

11、进一步地，步骤一中，枪虾大夹螯剖面曲线的原始数据，是在夹螯闭合状态下沿流道长轴的截面平面上的、由柱塞和囊腔之间的间隙构成的轮廓点，将轮廓点导入到cad软件中，完成枪虾大夹螯剖面曲线模型的描点复刻工作。

12、进一步地，步骤二中，分割枪虾大夹螯剖面曲线为入口段的回转曲线，腔室段的回转曲线和出口段的回转曲线。

13、进一步地，步骤三中，离散化映射法为通过ansys cfd仿真实验，遵循控制变量的原则，在保持网格划分方法，仿真条件设置和多特征尺寸等都相同的前提下，单次仿真实验只改变其中某一个特征尺寸的参数。ansys cfd仿真实验的条件均设置为：二相流模型，mixture；空化模型，schnerr-sauer；粘性模型，rng k-e；出口压力，标准大气压，即101325pa；求解方法，simplec，二阶迎风离散，基于压力的瞬态求解；时间步长，10-4s。

14、进一步地，出口段最小直径、出口段长度、腔室段长度、入口段长度、入口段直径之比为1:8:7:3:4。

15、进一步地，入口段对流体进行泵加压，接着流体经腔室段加速，最终通过出口段射流到液体环境中。

16、从分解枪虾射流空化过程着手，依据在枪虾动螯和定螯瞬间闭合产生空化射流过程中，枪虾动螯和定螯形成的动态间隙是使普通水射流转化为空化射流的重要几何特征。鉴于动螯和定螯在瞬间闭合过程中形成的动态间隙，与空化射流喷嘴的内腔结构间的相似性，采用离散化映射的仿生方法，将此几何特征映射为现有喷嘴的内腔结构，构建具有高能集聚几何特征的仿生枪虾空化射流喷嘴。

17、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

18、1、能够产生较高质量的空化气泡，具备枪虾射流高能量聚焦的稳定良好的空化效果；

19、2、具有喷嘴的高频输出效率，远距离空化作用效果好，低制造成本；

20、3、在20ma的入口压力，出口直径均为4mm，扩张角段长径比8:1，其余仿真设置，网格划分方法等都相同的条件下，经仿真对比实验可知，所得射流喷嘴的空化表现相对于现有技术的角形喷嘴，二维空化仿真的气相面积提升了约70％。

技术特征：

1.一种仿生枪虾空化射流喷嘴，其特征在于：包括入口段(1)、腔室段(2)和出口段(3)，所述腔室段(2)与出口段(3)平滑过渡连接；所述腔室段(2)包括依次平滑连接的第一曲面(21)、第二曲面(22)、第三曲面(23)和第四曲面(24)。

2.根据权利要求1所述的一种仿生枪虾空化射流喷嘴，其特征在于：所述出口段(3)最小直径、出口段(3)长度、腔室段(2)最大直径、腔室段(2)长度、入口段(1)长度、入口段(1)直径之比为1:8:5:7:3:4。

3.根据权利要求1所述的一种仿生枪虾空化射流喷嘴，其特征在于：所述入口段(1)为圆柱体形。

4.一种仿生枪虾空化射流喷嘴的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种仿生枪虾空化射流喷嘴的设计方法，其特征在于：所述步骤一中，枪虾大夹螯剖面曲线的原始数据，是在夹螯闭合状态下沿流道长轴的截面平面上的、由柱塞和囊腔之间的间隙构成的轮廓点，将轮廓点导入到cad软件中，完成所述枪虾大夹螯剖面曲线模型的描点复刻工作。

6.根据权利要求4所述的一种仿生枪虾空化射流喷嘴的设计方法，其特征在于：所述步骤二中，分割枪虾大夹螯剖面曲线为入口段(1)的回转曲线，腔室段(2)的回转曲线和出口段(3)的回转曲线。

7.根据权利要求4所述的一种仿生枪虾空化射流喷嘴的设计方法，其特征在于：所述步骤三中，离散化映射法为通过ansys cfd仿真实验，遵循控制变量的原则，在保持网格划分方法，仿真条件设置和多特征尺寸等都相同的前提下，单次仿真实验只改变其中某一个特征尺寸的参数。

8.根据权利要求7所述的一种仿生枪虾空化射流喷嘴的设计方法，其特征在于：所述ansys cfd仿真实验的条件均设置为：二相流模型，mixture；空化模型，schnerr-sauer；粘性模型，rng k-e；出口压力，标准大气压；求解方法，simplec，二阶迎风离散，基于压力的瞬态求解；时间步长，10-4s。

9.根据权利要求4所述的一种仿生枪虾空化射流喷嘴的设计方法，其特征在于：所述步骤三中，出口段(3)最小直径、出口段(3)长度、腔室段(2)长度、入口段(1)长度、入口段(1)直径之比为1:8:7:3:4。

10.根据权利要求4所述的一种仿生枪虾空化射流喷嘴的设计方法，其特征在于：所述入口段(1)对流体进行泵加压，接着流体经腔室段(2)加速，最终通过出口段(3)射流到液体环境中。

技术总结
本发明公开了一种仿生枪虾空化射流喷嘴，包括入口段、腔室段和出口段，腔室段与出口段平滑过渡连接；腔室段包括依次平滑连接的第一曲面、第二曲面、第三曲面和第四曲面。本发明还公开了一种仿生枪虾空化射流喷嘴的设计方法，包括以下步骤：构建枪虾大夹螯剖面曲线的二维模型；将枪虾大夹螯闭合过程中形成的动态间隙，向静态喷嘴的结构进行映射，开展仿生的转化，分割枪虾大夹螯剖面曲线；基于二维模型，通过离散化映射法，得到仿生空化射流喷嘴的结构，包括入口段、腔室段和出口段。本发明能够产生较高质量的空化气泡，具备枪虾射流高能量聚焦的稳定良好的空化效果；具有喷嘴的高频输出效率，远距离空化作用效果好，低制造成本。

技术研发人员：张臣,衡金龙,白云慷,商宇杰
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17