专利名称：超声速自由旋涡纳米粒子分离装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及空气动力设计领域，特别地，涉及一种超声速自由旋涡纳米粒子分离>J-U ρ α装直。
背景技术：
在超声速流场中撒播纳米粒子，跟随流动并显示相应的流场结构具有十分重要的应用背景，目前已经成为一种重要的流动显示技术。
纳米粒子是指晶粒尺寸为纳米量级的超细颗粒，它具有其它微米尺寸量级粒子所没有的奇异特性，如声、光、电、磁、热等特性呈现新的小尺寸效应，这些效应为各种实验技术提供了新的测量途径，在生物、医药、航空、航天、汽车和其它流体力学相关的领域具有广阔的应用背景。但纳米粒子的小尺寸效应导致的团聚效应使得工业制备的纳米粒子颗粒尺寸分布过于分散，团聚之后的大粒子会削弱其声、光、电、磁、热、力等特性。
对于超声速流动显示来说，示踪物的尺寸越大，越难跟随超声速流场，尤其是其中的激波和旋涡结构。激波前后流动速度是突变的，其厚度与分子自由程的量级相当，若要捕捉相应的流场结构，示踪物必须在尽可能短的距离内跟随流体一起运动，但团聚效应导致的大粒子惯性较大，穿越激波之后需要很长一段距离才会再次跟随当地流体的运动，这一特征会严重抹平激波结构，这对于实际的应用是十分不利的。
因此，设计一种能够分离纳米粒子的装置非常必要。由于纳米粒子和亚微米粒子质量都很小，一般的粒子分离装置难以提供足够的离心力将亚微米粒子与纳米粒子分离开。发明内容
本发明目的在于提供一种能提供足够大的离心力将亚微米粒子与纳米粒子分离开的超声速自由旋涡纳米粒子分离装置。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种超声速自由旋涡纳米粒子分离装置，用于分离微米粒子、亚微米粒子和纳米粒子，包括将粒子加速至超声速的粒子流道、引入高压气体和固体混合物进入粒子流道的入口、安装在粒子流道壁面的大粒子出口及设置在粒子流道下游的纳米粒子出口 ；其中，
粒子流道包括具有自由旋涡喷管结构的喷管前段以及与喷管前段相接的保持粒子流场自由旋涡参数分布的喷管后段。
进一步地，喷管前段包括连接入口的亚声速收缩段、连接在亚声速收缩段下游的喷管对称段及连接在喷管对称段下游的喷管非对称段；
喷管非对称段包括与喷管对称段相接的均匀流区、与喷管后段相接且使粒子呈自由旋涡流动的非简单波区及设置在均匀流区和非简单波区之间的简单波区。
进一步地，非简单波区的外周壁的第一壁面型线为以粒子流道的旋涡中心为中心的圆弧段，满足以下关系式
权利要求
1.一种超声速自由旋涡纳米粒子分离装置，用于分离微米粒子、亚微米粒子和纳米粒子，其特征在于，包括将粒子加速至超声速的粒子流道(10)、引入高压气体和固体混合物进入所述粒子流道(10)的入口(20)、安装在所述粒子流道(10)壁面的大粒子出口(30)及设置在所述粒子流道(10)下游的纳米粒子出口(40);其中，所述粒子流道(10)包括具有自由旋涡喷管结构的喷管前段(11)以及与所述喷管前段 (11)相接的保持粒子流场自由旋涡参数分布的喷管后段(12)。
2.根据权利要求1所述的纳米粒子分离装置，其特征在于，所述喷管前段(11)包括连接所述入口(20)的亚声速收缩段(112)、连接在所述亚声速收缩段(112)下游的喷管对称段(114 )及连接在所述喷管对称段(114 )下游的喷管非对称段(116);所述喷管非对称段(116)包括与所述喷管对称段(114)相接的均匀流区(116a)、与所述喷管后段(12)相接且使粒子呈自由旋涡流动的非简单波区(116c)及设置在所述均匀流区(116a)和所述非简单波区(116c)之间的简单波区(116b)。
3.根据权利要求2所述的纳米粒子分离装置，其特征在于，所述非简单波区(116c)的外周壁的第一壁面型线(ce)为以所述粒子流道(10)的旋涡中心为中心的圆弧段，满足以下关系式
4.根据权利要求3所述的纳米粒子分离装置，其特征在于，所述简单波区(116b)和所述非简单波区(116c)的分界线为右行马赫线(Cd)，满足关系式
5.根据权利要求4所述的纳米粒子分离装置，其特征在于，所述简单波区(116b)的内周壁的第二壁面型线(bd)的形状满足
6.根据权利要求5所述的纳米粒子分离装置，其特征在于，所述均匀流区(116a)外壁的第三壁面型线(ac)为直线。
7.根据权利要求6所述的纳米粒子分离装置，其特征在于，所述亚声速收缩段(112)为具有朝下游方向收缩的内腔结构。
8.根据权利要求7所述的纳米粒子分离装置，其特征在于，所述喷管对称段(114)为朝下游方向扩张的内腔结构；所述喷管对称段(114)为对称的短化喷管。
9.根据权利要求1所述的纳米粒子分离装置，其特征在于，所述喷管后段(12)呈螺旋线型面，所述喷管后段(12)的旋转中心为所述粒子流道(10)的旋涡中心。
10.根据权利要求1所述的纳米粒子分离装置，其特征在于，所述粒子流道(10)采用螺旋形自由旋涡喷管型面。
全文摘要
本发明提供了一种超声速自由旋涡纳米粒子分离装置，用于分离微米粒子、亚微米粒子和纳米粒子，包括将粒子加速至超声速的粒子流道、引入高压气体和固体混合物进入粒子流道的入口、安装在粒子流道壁面的大粒子出口及设置在粒子流道下游的纳米粒子出口；其中，粒子流道包括具有自由旋涡喷管结构的喷管前段以及与喷管前段相接的保持粒子流场自由旋涡参数分布的喷管后段。根据本发明的超声速自由旋涡纳米粒子分离装置，其粒子流道包括具有自由旋涡喷管机构的喷管前段，具有自由旋涡喷管结构的喷管前段，使得从入口进入的粒子能够在粒子流道内达到超声速，从而获得足够大的离心力；实现微米粒子或亚微米粒子与纳米粒子的分离。
文档编号B04C3/06GK103056044SQ20131000109
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月5日 优先权日2013年1月5日
发明者易仕和, 陈植, 赵玉新, 何霖, 田立丰, 冈敦殿 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学