CN114985127A - 一种改变射流形状的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改变射流形状的方法包括：当需要维持非圆射流的射流形状时，在非圆射流的喷口尖部安装第一导流单元；当需要将圆形射流改为非圆射流时，在圆形射流的喷口安装第二导流单元；所述第一导流单元和第二导流单元均为流线型导流单元。本发明通过在喷口安装流线型导流单元来实现既可以有效维持非圆射流的形状，又可以将圆形射流改变为非圆射流。

Description

一种改变射流形状的方法
技术领域
本发明涉及射流流动控制技术领域，具体而言，涉及一种改变射流形状的方法。
背景技术
当流体由喷口喷射到一个无限大的空间时，流动由于脱离了原限制环境，而在空间中继续流动扩散，这种流动叫射流。射流在航空航天发动机、石油化工喷射泵、农田喷灌水射流、消防喷枪水射流、气焊和气割喷射以及冶金工业等领域应用广泛。
当射流喷口的雷诺数（以喷口尺度和流速计算）大于30时为湍流射流，所以实际射流一般都是湍流射流。由于湍流脉动，射流与静止流体相掺混，周围流体被射流流体夹带，这种现象称为卷吸。由于周围流体的卷吸和掺混，射流截面不断扩大，速度减慢，流量沿程增加。在相当一段距离内，射流经历了从发展到消失的过程。所有射流的共同特点是发生卷吸、截面扩张和中心速度衰减等现象。
根据喷口的几何形状，可分为圆形射流、矩形射流和条缝形射流等。在工程应用领域中，射流的性能与工作效率密切相关。相比圆形射流，矩形射流、三角形射流等非圆形射流能够更有效地卷吸周围流体，具有更强的混合特性，这种性质使三角形射流、矩形射流等非圆形射流在过程工业中有着重要应用，比如燃烧器，混合器等。
当喷口为圆形时，其射流沿程不同流向的各个截面均呈圆形。但是，当喷口为非圆形状时，在射流出口初始一段范围内，射流形状与喷口形状基本一样，但随流向位置变化，射流形状慢慢发生变化，最后逐渐转化为圆形。比如，当矩形喷口的长宽比（Aspect ratio，AR）小于3（AR<3）时，空气射流很快地从矩形发展为圆形。因此，优化喷口结构，改善掺混性能，射流形状可控，在工程应用领域具有重要的意义。
国内外的优化射流喷口的研究工作主要集中在喷口结构参数优化、喷口流道设计以及喷口型式的设计（比如圆形喷口、环形喷口、矩形或方形喷口、条缝喷口）等喷口整体的外形结构方面。
发明内容
本发明旨在提供一种改变射流形状的方法，以实现既可以有效维持非圆射流的形状，又可以将圆形射流改变为非圆射流。
本发明提供的一种改变射流形状的方法，包括：
当需要维持非圆射流的射流形状时，在非圆射流的喷口尖部安装第一导流单元；
当需要将圆形射流改为非圆射流时，在圆形射流的喷口安装第二导流单元；
所述第一导流单元和第二导流单元均为流线型导流单元。
在一些实施例中，所述第一导流单元的表面为翼型、底面为矩形平面。
在一些实施例中，所述第一导流单元的尺寸如下：
所述第一导流单元的翼型弦长c1与非圆射流的喷口深度X1相等；
所述第一导流单元的宽度d1满足：0.03L≤d1≤0.1L，其中，L为非圆射流的喷口的短边边长；
所述第一导流单元的最大厚度t1满足：0.1d1≤t1≤0.2d1。
在一些实施例中，所述第一导流单元与非圆射流的喷口相邻壁的距离Y满足：0.5d1≤Y≤d1。
在一些实施例中，所述第一导流单元在非圆射流的每个喷口尖部安装2个。
在一些实施例中，所述第二导流单元的表面为翼型、底面为与圆形射流的喷口相匹配的曲面。
在一些实施例中，所述第二导流单元的尺寸如下：
所述第二导流单元的翼型弦长c2与圆形射流的喷口深度X2相等；
所述第二导流单元的宽度d2满足：0.03D≤d2≤0.1D，其中，D为圆形射流的喷口的截面直径；
所述第二导流单元的最大厚度t2满足：0.1d2≤t2≤0.2d2。
在一些实施例中，所述第二导流单元的数量与目标非圆射流的形状边数一致。
在一些实施例中，所述翼型为NACA翼型、超临界翼型或超声速翼型。
在一些实施例中，所述第一导流单元和第二导流单元的两个侧棱采用圆弧过渡。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明根据使用需求，既可以维持三角形、矩形、多边形等非圆形喷***流沿程的形状，又可以改变圆形喷***流的形状；
2、本发明不改变原喷口整体外形，只在非圆形喷口尖部或者圆形喷口增加导流单元，即维持了原喷口具有的对原工程应用问题的有利适用特性，又发挥了导流单位有效控制射流形状的作用；
3、导流单元采用流线型，对射流噪声影响不大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中第一导流单元的三视示意图（图中左上：侧视图；图中左下：俯视图；图中右上：正视图）。
图2为本发明实施例中在矩形射流的喷口尖部安装第一导流单元的局部示意图。
图3为本发明实施例中在矩形射流的喷口尖部安装第一导流单元的结构示意图。
图4为本发明实施例中在三角形射流的喷口尖部安装第一导流单元的结构示意图。
图5为本发明实施例中第二导流单元的三视示意图（图中左上：侧视图；图中左下：俯视图；图中右上：正视图）。
图6为本发明实施例中在圆形射流的喷口安装第二导流单元改变为矩形射流的结构示意图。
图7为本发明实施例中在圆形射流的喷口安装第二导流单元改变为三角形射流的结构示意图。
图8a为本发明实施例中矩形射流的喷口尖部安装第一导流单元前射流沿程不同流向横截面的速度云图（流向距离为0.43Dn）。
图8b为本发明实施例中矩形射流的喷口尖部安装第一导流单元后射流沿程不同流向横截面的速度云图（流向距离为0.43Dn）。
图8c为本发明实施例中矩形射流的喷口尖部安装第一导流单元前射流沿程不同流向横截面的速度云图（流向距离为1.51Dn）。
图8d为本发明实施例中矩形射流的喷口尖部安装第一导流单元后射流沿程不同流向横截面的速度云图（流向距离为1.51Dn）。
图8e为本发明实施例中矩形射流的喷口尖部安装第一导流单元前射流沿程不同流向横截面的速度云图（流向距离为2.48Dn）。
图8f为本发明实施例中矩形射流的喷口尖部安装第一导流单元后射流沿程不同流向横截面的速度云图（流向距离为2.48Dn）。
图9a为本发明实施例中矩形射流喷口尖部安装第一导流单元前射流流向同一横截面的PIV（粒子图像测速）试验测量涡量云图（流向距离为2.48Dn）。
图9b为本发明实施例中矩形射流喷口尖部安装第一导流单元后射流流向同一横截面的PIV（粒子图像测速）试验测量涡量云图（流向距离为2.48Dn）。
其中，Dn表示矩形射流的喷口当量直径；U Velocity为射流速度；Vorticity-Z表示涡量。
图标：10-第一导流单元、20-第二导流单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本实施例提出一种改变射流形状的方法，包括：
当需要维持非圆射流的射流形状时，在非圆射流的喷口尖部安装第一导流单元10；
当需要将圆形射流改为非圆射流时，在圆形射流的喷口安装第二导流单元20；
所述第一导流单元10和第二导流单元20均为流线型导流单元。即，本发明的核心是通过在喷口安装流线型导流单元来实现既可以有效维持非圆射流（如三角形、矩形或方形、多边形射流）的形状，又可以将圆形射流改变为非圆射流（如三角形、矩形或方形、多边形射流）。
（1）维持非圆射流的射流形状
如图1所示，所述第一导流单元10的表面为翼型、底面为矩形平面。其中，所述翼型为NACA翼型、超临界翼型或超声速翼型等。所述第一导流单元10的两个侧棱采用圆弧过渡。
所述第一导流单元10的尺寸如下：
所述第一导流单元10的翼型弦长c1与非圆射流的喷口深度X1相等，如图2所示；
所述第一导流单元10的宽度d1满足：0.03L≤d1≤0.1L，其中，L为非圆射流的喷口的短边边长，如图3、图4所示，进一步地，所述第一导流单元10与非圆射流的喷口相邻壁的距离Y满足：0.5d1≤Y≤d1。
所述第一导流单元10的最大厚度t1满足：0.1d1≤t1≤0.2d1。
并且由图2、图3、图4可以看出，所述第一导流单元10在非圆射流的每个喷口尖部安装2个。如图3所示，矩形射流有4个喷口尖部，一共安装了8个第一导流单元10。如图4所示，三角形射流有3个喷口尖部，一共安装了6个第一导流单元10。
（2）将圆形射流改为非圆射流
如图5所示，所述第二导流单元20的表面为翼型、底面为与圆形射流的喷口相匹配的曲面。其中，所述翼型为NACA翼型、超临界翼型或超声速翼型等。所述第二导流单元20的两个侧棱采用圆弧过渡。
所述第二导流单元20的尺寸如下：
所述第二导流单元20的翼型弦长c2与圆形射流的喷口深度X2相等；
所述第二导流单元20的宽度d2满足：0.03D≤d2≤0.1D，其中，D为圆形射流的喷口的截面直径，如图6、图7所示；
所述第二导流单元20的最大厚度t2满足：0.1d2≤t2≤0.2d2。
所述第二导流单元20的数量与目标非圆射流的形状边数一致。比如：
如图6所示，当需要将圆形射流改为矩形射流时，在圆形射流的喷口安装4个第二导流单元20。
如图7所示，当需要将圆形射流改为三角形射流时，在圆形射流的喷口安装3个第二导流单元20。
其中，第二导流单元20之间的间距可以相等，也可以不相等，根据目标非圆射流的形状的参数比例确定。
上述的改变射流形状的方法应用范围为低速气体射流，所以对第一导流单元10和第二导流单元20的材质要求不高，可以是铝合金或钢等金属，也可以是木制、硬度高的亚克力板等。
示例：
对导流单元（第一导流单元10和第二导流单元20）控制射流形状的物理机理进行数值模拟研究和风洞试验验证。
图8a、图8b、图8c、图8d、图8e、图8f分别给出了矩形射流的喷口尖部安装第一导流单元10前后射流沿程不同流向横截面的速度云图。可以看出，由于周围流体的卷吸和掺混，射流速度减慢，射流截面不断扩大。由图8a、图8c、图8e未安装第一导流单元10的三幅图明显可以看出，没有导流单元时矩形射流逐渐变为圆形射流；但在矩形射流的喷口尖部安装第一导流单元10后，由图8b、图8d、图8f已安装第一导流单元10的三幅图明显可以看出，第一导流单元10在喷口尖部产生的强旋涡结构将湍动能从剪切层中部吸引至两侧尖部，抑制了中部剪切层的扩张，从而维持了射流的矩形形状。
图9a、图9b给出了矩形射流喷口尖部安装第一导流单元10前后射流流向同一横截面的PIV（粒子图像测速）试验测量涡量云图。可以看出，矩形射流的喷口尖部安装第一导流单元10后，射流边界明显维持了矩形形状。同理可知，当把第一导流单元10安装在三角形射流的喷口尖部、多边形射流的喷口尖部时，第一导流单元10的抽吸机制可有效维持三角形射流、多边形射流的形状。
同理可知，当把第二导流单元20安装在圆形射流的喷口时，第二导流单元20产生的强旋涡结构将剪切层湍动能吸引至第二导流单元20自身附近，抑制了大部分剪切层的扩张，从而使射流边界由圆形变为所需要的目标非圆射流形状，如三角形、矩形、多边形等。
由上可知，本发明具有如下优势：
1、本发明根据使用需求，既可以维持三角形、矩形、多边形等非圆形喷***流沿程的形状，又可以改变圆形喷***流的形状；
2、本发明不改变原喷口整体外形，只在非圆形喷口尖部或者圆形喷口增加导流单元，即维持了原喷口具有的对原工程应用问题的有利适用特性，又发挥了导流单位有效控制射流形状的作用；
3、导流单元采用流线型，对射流噪声影响不大。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改变射流形状的方法，其特征在于，所述方法包括：
当需要维持非圆射流的射流形状时，在非圆射流的喷口尖部安装第一导流单元；
当需要将圆形射流改为非圆射流时，在圆形射流的喷口安装第二导流单元；
所述第一导流单元和第二导流单元均为流线型导流单元。
2.根据权利要求1所述的改变射流形状的方法，其特征在于，所述第一导流单元的表面为翼型、底面为矩形平面。
3.根据权利要求2所述的改变射流形状的方法，其特征在于，所述第一导流单元的尺寸如下：
所述第一导流单元的翼型弦长c1与非圆射流的喷口深度X1相等；
所述第一导流单元的宽度d1满足：0.03L≤d1≤0.1L，其中，L为非圆射流的喷口的短边边长；
所述第一导流单元的最大厚度t1满足：0.1d1≤t1≤0.2d1。
4.根据权利要求3所述的改变射流形状的方法，其特征在于，所述第一导流单元与非圆射流的喷口相邻壁的距离Y满足：0.5d1≤Y≤d1。
5.根据权利要求4所述的改变射流形状的方法，其特征在于，所述第一导流单元在非圆射流的每个喷口尖部安装2个。
6.根据权利要求1所述的改变射流形状的方法，其特征在于，所述第二导流单元的表面为翼型、底面为与圆形射流的喷口相匹配的曲面。
7.根据权利要求6所述的改变射流形状的方法，其特征在于，所述第二导流单元的尺寸如下：
所述第二导流单元的翼型弦长c2与圆形射流的喷口深度X2相等；
所述第二导流单元的宽度d2满足：0.03D≤d2≤0.1D，其中，D为圆形射流的喷口的截面直径；
所述第二导流单元的最大厚度t2满足：0.1d2≤t2≤0.2d2。
8.根据权利要求1、6和7中任一项所述的改变射流形状的方法，其特征在于，所述第二导流单元的数量与目标非圆射流的形状边数一致。
9.根据权利要求2或6所述的改变射流形状的方法，其特征在于，所述翼型为NACA翼型、超临界翼型或超声速翼型。
10.根据权利要求1所述的改变射流形状的方法，其特征在于，所述第一导流单元和第二导流单元的两个侧棱采用圆弧过渡。
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