一种仿生多腔多层异形水射流喷嘴

1.本发明涉及一种仿生多腔多层异形水射流喷嘴，属于喷嘴结构设计技术领域。


背景技术：

2.按射流对物料的施载特性，水射流可分为连续射流、脉冲射流、空化射流和磨料射流四种，其中空化射流和磨料射流统称为混合射流。其中脉冲射流是非连续射流，以脉冲的形式将水射流作用在靶体上，其施载特性是产生持续时间极短的峰值压力，连续不断地冲击靶体。脉冲射流对靶物表面的冲击力，远远超过一般连续射流的滞止压力，可以加速材料破坏裂纹的扩展，水射流的切割与破碎能力显著增强。
3.自激振荡脉冲射流喷嘴是近几年发展起来的一种类似赫尔姆兹振荡器，其通过自身的结构将射流的初始式反馈放大，使持续作用能量转化为间断作用能量，在这一过程中流体能量得到聚焦，然后间断性释放出来，形成瞬时能量比连续射流量高几倍的脉冲射流。自激振荡的发生方式以其结构简单、可靠性高、无需附加外驱动结构等突出优点，被广泛应用于切割、清洗、钻探和破岩等领域。
4.在水射流系统中，喷嘴是关键部件，起加载 （对泵加载，建立系统压力）及能量转换作用（将水的压力能转化为动能）。在对自激振脉冲喷嘴的研究过程中，国内外很多学者通过大量的仿真和试验，研究下喷嘴碰撞壁的形状、下喷嘴与上喷嘴的出口直径比以及振荡腔腔径腔长等参数对脉冲射流特征的影响。此外国内外学者多使用实验、数值模拟等方法，针对空化的发生机理、喷嘴结构对空化效果的影响进行探究，并优化喷嘴结构参数，但大多数研究多为单一腔室结构的空化喷嘴，对多腔、多层结构研究较少且其能量转换效率不高。为此，需提供一种出口工作腔动态可调、适用于多种工况的高效率自激振荡脉冲射流喷嘴。


技术实现要素：

5.本发明提供一种仿生多腔多层异形水射流喷嘴，结合自然界具有自激放大原理的生物结构优化喷嘴结构，提升脉冲射流发生的效率与调控精度。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种仿生多腔多层异形水射流喷嘴，包括若干顺次叠加套设的喷嘴本体，所述喷嘴本体相对中心线形成对称结构，若干喷嘴本体同中心线进行部分叠加；每个喷嘴本体内具有顺次平滑连通的三级振荡腔，且三级振荡腔沿着中心线由进水口方向朝出水口方向直径逐渐变小；水流通过位于初始位置喷嘴本体的进水口进入，同时由前一个喷嘴本体的出水口射向后一个相邻喷嘴本体的第三级振荡腔腔室；作为本发明的进一步优选，喷嘴本体的三级振荡腔包括顺次连通的上振荡腔、振荡腔体以及下振荡腔，在下振荡腔的末端中心线上设置出水口；所述上振荡腔的主体为矩形空腔，矩形空腔的短边部分向外膨大形成圆弧结构，
所述振荡腔体呈圆柱形结构设置，所述下振荡腔的腔壁呈波浪状，波浪状为顺次拼接的波谷、波峰以及波谷，下振荡腔波峰位置的腔径小于振荡腔体的腔径；上振荡腔与振荡腔体之间、振荡腔体与下振荡腔之间形成平滑连接，在振荡腔体内构成谐振腔；作为本发明的进一步优选，在上振荡腔、振荡腔体以及下振荡腔中，腔壁的曲线部分曲率半径为1；作为本发明的进一步优选，位于初始位置的喷嘴本体在中心线位置设置进水口；其余喷嘴本体的进水位置为上振荡腔的开口处；作为本发明的进一步优选，出水口的直径d2与进水口的直径d1比d2/d1=1-3；下振荡腔腔径分为三部分，分别为与振荡腔体连通的波谷部分d3、波峰部分d4以及与出水口连通的部分d5，这三部分与出水口的直径比为10；相邻的上振荡腔与振荡腔体、振荡腔体与下振荡腔的腔径比为0.6-3.6；相邻的上振荡腔与振荡腔体、振荡腔体与下振荡腔在平行于中心线部分的宽度比为0.3-3.3；作为本发明的进一步优选，在振荡腔的矩形短边外侧布设外螺纹，除去初始位置的喷嘴本体，其余喷嘴本体的开口处向外部延伸形成延伸段，在延伸段的内壁布设内螺纹，当多个喷嘴本体同中心线进行部分叠加时，内螺纹与外螺纹匹配，将相邻喷嘴本体连接；作为本发明的进一步优选，位于初始位置的喷嘴本体的进水口口径小于其余喷嘴本体的开口口径；作为本发明的进一步优选，前一个喷嘴本体的出水口位于后一个相邻喷嘴本体的振荡腔体内；作为本发明的进一步优选，除去末端位置的喷嘴本体，其余喷嘴本体的下振荡腔中，在靠近出水口的波峰至波谷的腔壁采用高分子膜制作；初始位置喷嘴本体的进水口、各个喷嘴本体的出水口均位于同一中心线上；作为本发明的进一步优选，当水射流进入时高分子膜受到冲击发生伸缩，前一个喷嘴本体的出水口推送至后一个相邻喷嘴本体的下振荡腔内。
7.通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：1、本发明基于自然界中响尾蛇尾部结构的特征，将喷嘴的腔室设计成与其尾部形状相似的叠加流线型结构，实现了喷嘴内振荡腔结构参数的可调，拓展了自激振荡喷嘴的应用工况，为自激振荡喷嘴的产品化、系列化奠定了基础；2、本发明提供的喷嘴本体中，各个振荡腔室之间采用弧形结构进行光滑过渡，使得喷嘴具有较佳的水力，更强的变压特性以及空化作用，在靶物表面产生的冲击压力大大超过一般连续射流的滞止压力，可以显著减少冲击比能，进一步提升了脉冲射流发生效率与调控精度，具有良好的市场前景。
附图说明
8.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
9.图1是本发明提供的双层喷嘴本体结构模型示意图；
图2是本发明提供的位于初始位置喷嘴本体的结构示意图；图3是本发明提供的未在初始位置的喷嘴本体结构示意图；图4是本发明提供的多层喷嘴本体结构模型示意图；图5是本发明提供的仿生喷嘴中高分子膜初始位置模型示意图；图6是本发明提供的仿生喷嘴中高分子膜极限位置模型示意图；图7是本发发明提供的仿生喷嘴中位于第一层的喷嘴本体模型尺寸标注示意图。
10.图中：1为第一层喷嘴本体，2为第二层喷嘴本体，3为进水口，4为上振荡腔，5为外螺纹，6为振荡腔体，7为下振荡腔，8为出水口，9为内螺纹，10为高分子膜。
具体实施方式
11.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本技术的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
12.在切割、清洗、钻探以及破岩等领域，自激振荡产生的脉冲射流喷嘴成为主流，然而大多数的喷嘴为单一腔室结构，即使是少部分涉猎到多腔、多层结构，其能量转换效率也并不高，因此需要一种新型的水射流喷嘴，使其具有更好的水力特性，更强的变压特性以及更佳的空化作用。
13.本技术设计的初衷是借鉴了自然界中响尾蛇尾部结构，其由一串中空的串环珠组成，当其尾巴快速摇动时，通过响环相互摩擦震动空气发出声音。蛇尾部分是将空气进行多次耦合发出声响，那么将其应用到喷嘴结构中，结合设计尺寸，会使得空化效果更加剧烈。因此本技术提供的是一种仿生多腔多层异形水射流喷嘴，包括若干顺次叠加套设的喷嘴本体，所述喷嘴本体相对中心线形成对称结构，若干喷嘴本体同中心线进行部分叠加；多个喷嘴本体仿真响尾蛇多个串环珠叠加形态，当水流由上一个喷嘴本体内进入下一个喷嘴本体内，发生多次耦合作用，可以一次次放大脉冲射流。
14.如图1所示，是本技术提供的一种双层结构优选，图4所示是多层结构优选，也就是说喷嘴结构叠加层数的设置，是按照实际需求来限定的。
15.在对单个喷嘴本体进行设计时，由于需要形成自激振荡射流，因此将喷嘴本体设计成具有顺次平滑连通的三级振荡腔，且三级振荡腔沿着中心线由进水口3方向向出水口8方向直径逐渐变小；水流在初入第一级振荡腔时，产生的高速流速不稳定的微弱扰动波即为涡旋扰动，接着进入第二级振荡腔，在此腔室的谐振作用下逐渐形成大尺度的涡环结构，这些涡环结构与第二级振荡腔碰撞反射产生脉冲射流，接着这些脉冲射流在第三级振荡腔内进行碰撞实现自激振荡。
16.为了方便阐述，本技术中将第三级振荡腔分别定义为上振荡腔4、振荡腔体6以及下振荡腔7，这三个振荡腔是顺次连通的，在下振荡腔的末端中心线上设置出水口；在设计研究时，继续对响尾蛇尾部结构进行研究，响尾蛇尾部各腔室呈流线型结构，这样的结构设置，会使得空化效果更加强烈，同时将其应用到喷嘴本体内时，喷嘴内壁轮廓越接近流线
型，喷嘴能量损失越小，提高了喷嘴结构的效率，在经过多次试验后在上振荡腔、振荡腔体以及下振荡腔中，限定腔壁的曲线部分曲率半径为1左右，可以保证在满足相应的自激振荡效果的同时，喷嘴能量损失达到最小。
17.具体的，所述上振荡腔的主体为矩形空腔，矩形空腔的短边部分向外膨大形成圆弧结构，上振荡腔较大可能的产生涡旋扰动，所述振荡腔体呈圆柱形结构设置，上振荡腔大于振荡腔体的腔径设置，将涡旋扰动放大，下振荡腔的设置才是产生自激振荡的关键，即水流通过位于初始位置喷嘴本体的进水口进入，同时由前一个喷嘴本体的出水口射向后一个相邻喷嘴本体的下振荡腔腔室，保证自激振荡的发生。这里，下振荡腔的腔壁需要较大角度起伏，所述下振荡腔的腔壁呈波浪状，波浪状为顺次拼接的波谷、波峰以及波谷，下振荡腔波峰位置的腔径小于振荡腔体的腔径；上振荡腔与振荡腔体之间、振荡腔体与下振荡腔之间形成平滑连接，在振荡腔体内构成谐振腔，可以形成脉冲射流，下振荡腔的锥形腔壁与水射流发生碰撞可以实现自激振荡。
18.这里在经过多次试验后发现，为了实现较好的自激振荡效果，减少能量的损失，对喷嘴本体的各个部分的腔径以及平行于中心线方向的宽度均做了限制，如图7以位于第一层的喷嘴本体为例，出水口的直径d2与进水口的直径d1比d2/d1=1-3；下振荡腔腔径分为三部分，分别为与振荡腔体连通的波谷部分d3、波峰部分d4以及与出水口连通的部分d5，这三部分与出水口的直径比为10左右；上述限制，可以使得在喷嘴本体内产生较佳的自激振荡脉冲射流。同时相邻的上振荡腔与振荡腔体、振荡腔体与下振荡腔的腔径比为0.6-3.6；相邻的上振荡腔与振荡腔体、振荡腔体与下振荡腔在平行于中心线部分的宽度比为0.3-3.3；此时喷嘴本体可以促进脉冲空化射流的发生，同时水流在出水口处速度分布均匀且流速较大，轴向含气率高，可产生较好的射流清洗效果。
19.由于多个喷嘴本体叠设，因此位于初始位置的喷嘴本体是在中心线位置设置进水口（图2所示），这里以双层喷嘴结构作为示例，初始位置的喷嘴本体即为第一层喷嘴本体1；其余喷嘴本体（在双层喷嘴结构中即为第二层喷嘴本体2）的进水位置为上振荡腔的开口处（图3所示）。在具体实施时，初始位置喷嘴本体的进水口、各个喷嘴本体的出水口均位于同一中心线上，可以保证获得有效激振。明显的，由于需要将水流射入初始位置的喷嘴本体内，其进水口口径不能太大，其余位置喷嘴本体的进水口是接近上振荡腔的矩形结构长边距离，远远大于初始位置喷嘴本体的进水口。
20.相邻喷嘴本体的连接是采用螺纹连接，在振荡腔的矩形短边外侧布设外螺纹5，除去初始位置的喷嘴本体，其余喷嘴本体的开口处向外部延伸形成延伸段，在延伸段的内壁布设内螺纹9，当多个喷嘴本体同中心线进行部分叠加时，内螺纹与外螺纹匹配，将相邻喷嘴本体连接。
21.在本技术中，为了进一步加强水射流的效果，如图5所示，除去末端位置的喷嘴本体，其余喷嘴本体的下振荡腔中，在靠近出水口的波峰至波谷的腔壁采用高分子膜10制作。当振荡射流进入下一个喷嘴本体内时，高分子膜受到冲击会发生伸缩，使上一个喷嘴本体的进水口在下一个喷嘴本体内发生轴向以及径向的移动，这个过程如图5至图6的一个变化过程，高分子膜的设置，使得上一个喷嘴本体的进水口从下一个喷嘴本体的振荡腔体位置移动到了下振荡腔内，因此自激振荡腔结构发生了变化，射流冲击力变强。
22.综上，本技术是基于响尾蛇尾部特征设计的水射流喷嘴，在靶物表面产生的冲击
压力大大超过一般连续射流的滞止压力，可以显著减少冲击比能，提高整体的工作性能，进一步提升了脉冲射流发生效率与调控精度，具有良好的市场前景。
23.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
24.本技术中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
25.本技术中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
26.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。