CN114370650B - 一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器，该振荡器中部设置有扰流体。由于扰流体的加入，主流从进口喉道进入流动腔室内部后，流动的不稳定性被迫加强，流体的粘性附面层作用的影响相对下降，流体的康达效应重新占据主导地位，在流动腔内的隔板以及反馈通道的作用下，重新恢复自激振荡的过程，在出口形成扫掠型的振荡射流。

Description

一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器

技术领域

本发明属于液体喷射装置的改进结构，特别是一种用于液体或气体燃料喷射的改进结构，属于能源动力领域。

背景技术

在液体喷射装置的设计领域，自激发的振荡喷雾装置主要通过流道内部流路的设计，在稳定液体进口条件下，在出口处形成扫射型的液柱或者扇形的液面(或液雾)。其核心原理是依靠康达效应，让流体在两个通道内往复循环，最终在喷嘴出口形成周期扫射式射流。当其内部已液体为工作介质，以较高工作频率射入气体介质后，就会在喷嘴出口处形成扇形液雾。此结构具有尺寸紧凑，流动损失小，无活动部件，可靠性高等诸多优点。

本发明人的关联专利申请CN202110519916.8(加力燃烧室)、CN202110747716.8(中心分级燃烧室)，将此构型的液体喷射装置用于航空发动机内的燃油喷射，利用此装置产生的高频动态扫掠效果，大幅提高燃油在来流中的空间散布均匀度，从而提高燃烧效率，最终实现提升发动机工作效率的目的。但是，目前无论是在加力燃烧室，还是中心分级燃烧室中，采用的喷油喷射孔径均为0.5mm左右，即燃油喷射的喉道尺寸为亚毫米级。

为了利用目前已有的加力燃烧室和中心分级燃烧室的设计理论基础和设计经验，必须保证此新型自激扫掠燃油喷射装置的流量数与原有亚毫米尺寸直射喷嘴的流量数一致。由于此新型燃油喷射装置的流动损失很小，其流量系数与直射式喷嘴的流量系数也几乎一样，因此，为了保证两者的流量数一致，其喉道(流道的最小截面积)就必须保持一致，也就是说，新型燃油喷嘴的喉道截面积就必须保持在0.5mm孔径左右。

但是，随着此构型结构尺寸的减小，液体粘性产生的阻力就越大，液体附面层喉道占据流道尺度的比例就越大，在进口喉道截面处的高宽比均为1时，喉道宽度小于0.8mm时，无论进口压力多高(测试最高进口压力4MPa)，此结构均无法产生自激振荡。为了保证喉道截面积与0.5孔径的截面积相似，如果喉道宽度为0.5mm，其深度约为0.4mm，其高宽比为0.8；如果喉道宽度为1.25mm，其深度约为0.16mm，其高宽比仅为0.128。由于液体粘性效应与尺寸效应的耦合，其高宽比越小，越难以实现自激振荡，即在喉道宽度较大，但是其高宽比仅为0.128时，无论进口压力多高(测试最高进口压力4MPa)，也无法产生自激振荡。

为了保证喉道宽度<0.7mm左右，喉道高宽比小于1.2条件下；或者喉道宽度在毫米尺度(0.7<T<2mm),喉道高宽比小于0.25条件下，依然能够实现射流的自激扫掠振荡，需要对其内部流道的结构尺寸进行改进设计。

发明内容

为了解决上述问题，即传统射流振荡器结构在亚毫米喉道尺寸，以及极低喉道高宽比条件下无法实现自激扫掠振荡的问题，本发明构型了一种带有扰流体的射流振荡器流道结构，能够使其在亚毫米喉道尺度以及极低喉道高宽比下实现射流喷射的自激扫掠振荡。本发明的目的通过以下方案实现：

一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器，包括振荡腔体、设置于振荡腔体两侧且与振荡腔体连通的两个反馈通道、分别设置于振荡腔体两端的喷口及进口，所述反馈通道包括接近所述喷口且与所述振荡腔体连通的反馈通道入口以及接近所述进口且与所述振荡腔体连通的反馈通道出口，所述进口与振荡腔体连接处形成进口喉道，所述进口喉道的宽度小于等于0.7mm且所述进口喉道的高度与进口喉道的宽度的比值小于等于1.2，或所述进口喉道的宽度大于等于0.7mm小于等于2mm且进口喉道的高度与进口喉道的宽度比小于等于0.25；所述振荡腔体中部设置有用于增加流体不稳定性并能够影响振荡腔侧壁附面层厚度的扰流体。

进一步地，所述扰流体为圆柱形或多边形。

进一步地，所述圆柱形的直径或所述多边形的外接圆直径与进口喉道的宽度的比值大于等于0.5且小于等于2.5。

进一步地，所述喷口为扇型，喷口较小的的截面与振荡腔体连通形成出口喉道，喷口较大的截面背离所述振荡腔体设置。

进一步地，所述扰流体的中心到出口喉道的距离大于等于进口喉道的宽度。

进一步地，所述扰流体的中心到反馈通道出口接近所述喷口的端面的距离大于等于进口喉道的宽度。

进一步地，扰流体在过流断面上的投影的最长长度与进口喉道宽度的比值应当大于等于0.5小于等于2.5。

进一步地，所述扰流体的中心到所述振荡腔体任一侧壁的距离与振荡腔体两侧壁的距离之比大于等于0.2且小于等于0.8。

进一步地，所述扰流体位于所述振荡腔体的对称轴上。

进一步地，具有2个及以上的所述扰流体。

进一步地，所述扰流体的高度与振荡腔体内部高度一致。

相比于现有技术本发明的优势在于：本发明提供了一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器，该振荡器中部设置有扰流体。由于扰流体的加入，主流从进口喉道进入流动腔室内部后，流动的不稳定性被迫加强，流体的粘性附面层作用的影响相对下降，流体的康达效应重新占据主导地位，在流动腔内的隔板以及反馈通道的作用下，重新恢复自激振荡的过程，在出口形成扫掠型的振荡射流。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是一种自激扫掠喷射振荡器；

图2是一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器在没有扰流体时流体流动示意图；

图3是一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器在扰流体靠近喷口设置时流体流动示意图；

图4是一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器在扰流体远离喷口设置时流体流动示意图；

图5是图4亚毫米自激扫掠喷射振荡器尺寸图；

图6是扰流体偏置的亚毫米自激扫掠喷射振荡器示意图。

图7是亚毫米自激扫掠喷射振荡器扰流体位置示意图；

图8是双扰流体的亚毫米自激扫掠喷射振荡器示意图。

其中：110、进口；120、反馈通道；130、喷口；140、流道隔板；150、振荡腔体；160、出口喉道；170、进口喉道；180、扰流体；200、附面层；300、脱落涡。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

参见说明书附图1，本发明提供了一种自激扫掠喷射振荡器，包括振荡腔体150、设置于振荡腔体150两侧且与振荡腔体150连通的两个反馈通道120、分别设置于振荡腔体150两端的喷口130及进口110及流道隔板140。

所述流道隔板140设置于振荡器的内腔体，将内腔体分隔为振荡器腔体及反馈通道120两部分。反馈通道入口在接近于喷口130处与振荡腔体150连接，反馈通道的出口在接近于进口110处于振荡腔体150连通。进口110由于截面积比振荡腔体150小，因此在进口与振荡腔体150连接处形成了进口喉道170。两流道隔板140呈现为“L”形，两隔板对称设置，在接近喷口130处限定出较大的振荡腔体150空间，而在接近进口处，通常形成了与进口喉道170大小相等或略大于进口喉道170的流体通过空间。当然，两流道隔板140也能够呈现为其他形状。流道隔板140用于将振荡腔体150限定出一个沿着流体流动方向整体上逐渐变大的截面。也就是说，由流道隔板140先将进口110流出的流体先进一步收束，再扩张的隔板也应当在本发明请求的保护范围内。

喷口130为扇型，喷口130较小的截面与振荡腔体150连通形成出口喉道160。同时喷口130具有较大的截面，该较大的截面背离所述振荡腔体150设置，扇形角度用于控制振荡喷射液体的角度。通常地在较大的尺寸下，流体高速通过进口喉道170，主流体通常沿着一侧壁面流动并向外喷射。由于振荡腔体150形成的流道逐渐扩大，导致速度下降并产生紊流现象，而反馈通道120由于接近进口喉道170，高速流体在此产生了较低的压力，将流体从反馈通道入口吸入，推动主流体向另外一侧偏转。

参见附图2，该振荡器，在喉道尺寸宽度较小时(～0.5mm)，或喉道处的高宽比较小时(亚毫米尺度时<1.2，毫米尺度时<0.2)，由于附面层200的厚度占据主流通道的比例过大，液体的粘性效应在此尺寸效应的作用下，主流动从进口喉道170进入流动腔内部后，流体的康达效应失效，无法实现主射流的附壁，也就无法利用流体在反馈通道120的回流实现出口射流的自激扫掠振荡。通过进口110进入振荡腔体150的流体，将直接通过振荡腔体150从喷口130射出。

本发明主要研究在进口喉道170的宽度T≤0.7mm且所述进口喉道170的高度与进口喉道170的宽度T的比值小于等于1.2，或所述进口喉道170的宽度T满足0.7mm≤T≤2mm且进口喉道170的高度与进口喉道170的宽度T比小于等于0.25时，通过增加扰流体180使得振荡器重新摆振。具有以上尺寸关系的自激扫掠喷射振荡器即本文所提及的亚毫米自激扫掠喷射振荡器。

参见附图3，当扰流体180与喷口130的距离小于一定值时，主流体并没有破坏附面层200，主流体也并未通过反馈通道120，主流体沿直线运动，并且主流体在扰流体180的作用下，在其后方背离主流体来流方向上形成一定频率的脱落涡300，即卡门脱落涡(卡门涡街)，在脱落涡300的作用下，该振荡器也能形成一定角度α的振荡射流，但是该角度α远小于带有反馈通道的康达效应产生的扫掠型射流的角度。

参见附图4，本发明的扰流体180设置在距离喷口130的较远处，当主流体遇到扰流体180后，在扰流体180背离主流体来流方向上形成紊流，所述紊流将直接影响附面层200，导致附面层200被减少，附面层重新诱发流体的康达效应，使主流体重新贴附侧壁上。此时，在康达效应的作用下，流体通过反馈通道，推动主流体的向另一方向翻转，从而实现了主流体在喷口130处不停摆动，形成扇形的液膜或液雾。该方案与利用扰流体后方的卡门脱落涡形成的振荡射流的方案相比，其获得的扇形液膜或液雾角度更大。

本发明的核心在于如何使得小尺寸的振荡器重新摆振，并提供了一种破坏振荡腔体内附面层厚度而获得重新摆振的方案。在本发明公开的具体实施例的基础上，所述领域技术人员容易获得其他削减附面层厚度而重新获得摆振的方案包括但不限于改变扰流体与喷口的距离、扰流体的形状及喷口形状、扰流体大小、振荡腔形状等。参见附图4中，其展示以圆柱形扰流器阻碍主流体从而产生不稳定流体的方案。圆柱形扰流体180仅仅是一种示例，并不排除可以使用其他形式的扰流体180。只要能够使得在亚毫米尺度下，自激扫掠喷射振荡器振荡腔内产生不稳定流体的扰流体180，都应当在本发明请求保护的范围内。例如，本发明还能够采用多边形的扰流体180。

根据本发明提及的在扰流体180背向来流方向上产生紊流的原理，则需要增大扰流体180距离喷口130的距离。参见附5及附图7，所述扰流体180的中心到出口喉道160的距离D2大于等于进口喉道170的宽度T。具体而言，当扰流体180为规则形状时，例如圆柱形或具有外接圆的多边形，其中心为圆柱的中心线或外接圆的圆心所在直线。当扰流体180为非规则形状时，扰流体180的中心为非规则形状的形心，也即为其重心。

通常地，最优的方案是将扰流体180沿着射流振荡器的中心对称线布置，即扰流体180的上述中心位于中心对称线上。主射流从进口喉道170射入振荡腔体150后，能够较大概率地被扰流体180阻挡，从而迫使主流体向两侧偏转流动，并在扰流体180后方形成紊流。但经研究发现，由于振荡器的特性，主射流在进入振荡腔体150后会具有一定角度的偏摆且扰流体180具有一定的宽度，扰流体180的中心出现偏移也能够实现使得亚毫米振荡器重新摆振的功能。参见附图5，当0.2≤ID/IW≤0.8时，扰流体180就能够实现其扰流作用。其中，ID为扰流体180中心到一侧壁面的距离，通过扰流体180中心向两侧壁面做垂直于振荡器对称轴的直线，该直线的被两侧壁面所夹设的线段即为IW。也即是所述扰流体180的中心到所述振荡腔体150任一侧壁的距离与振荡腔体150两侧壁的距离之比大于0.2且小于等于0.8。当扰流体180过于接近一侧壁面，即ID/IW<0.2或ID/IW＞0.8时，由于扰流体180距离一侧壁面过于接近，导致无法形成有效的紊流，且由于向一侧流动的液体急剧减少，导致反馈通道120作用受到影响，无法再次产生摆振。

扰流体180必须具有一定的宽度才能够对进入振荡腔体150内的主流体形成阻挡，从而使得流体在扰流体180背向来流的方向上产生紊流。因此，将扰流体180沿着振荡器的中心对称线，向垂直于中心对称线的平面上投影。该投影垂直于中心对称线的最大的距离即为扰流体180能够阻挡进入振荡腔体150内主流体向前流动的有效阻挡长度。该长度与进口喉道170的宽度T的比值应当大于等于0.5小于等于2.5。为了降低制造难度，通常使用圆柱形或具有外接圆的多边形作为扰流体180。此时，圆柱形的直径或所述多边形的外接圆直径与进口喉道170的宽度T的比值应当大于等于0.5且小于等于2.5。

参见附图7，扰流体180应当距离流道隔板140接近进口喉道170的端面距离设置。更为具体地，两流道隔板140将振荡腔体150限定出一个截面积变化的振荡腔体150，扰流体180应当距离振荡腔体150最小的截面距离设置。通常地该最小截面出现在隔板接近进口喉道170的一端。最小截面限定了主流体通过进口喉道170后进入振荡腔体150的流体的过流断面。主流体在通过该截面前是呈现为直线喷射的特征，当通过该过流断面后，由于空间的增大才在因产生漩涡等引起偏摆。若将扰流体180过于接近该截面，主流体撞击扰流体180后，反弹的流体将影响主流体的进入，并可能导致流体沿着反馈通道1出口向反馈通道入口逆向流动。经研究，扰流体180的中心到该截面的距离应当大于等于进口喉道170的宽度T。

参见附图8，在极小尺寸下或极低进口喉道170高宽比条件下，为了进一步增加主流的不稳定性，可以设置2个及以上的扰流体180，从而激发流动的康达效应，实现流体的自激振荡。当然，多个扰流体180都必须满足上文所述的位置尺寸及形状尺寸要求。

进一步地，所述扰流体180的高度与振荡腔体150内部高度一致。从而主流体均是绕着扰流体180两个侧面向前进，避免流体从扰流体180的上部或底部沿直线向前流动，降低了扰流柱的扰流特性。

本发明所提及的主流体是指具有流动特性的介质，包括但不限于水、燃油等液体，空气、氮气等气体、可流动的固体颗粒等。以上介质在亚毫米尺寸下的自激扫掠喷射结构中流动，均符合本发明描述的流动特性，且本发明的扰流体180能够使得自激扫掠喷射结构重新摆振。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器，包括振荡腔体、分别设置于振荡腔体两侧且与振荡腔体连通的两个反馈通道、分别设置于振荡腔体两端的喷口及进口，所述反馈通道包括接近所述喷口且与所述振荡腔体连通的反馈通道入口以及接近所述进口且与所述振荡腔体连通的反馈通道出口，所述进口与振荡腔体连接处形成进口喉道，其特征在于：

所述进口喉道满足：T≤0.7mm且A/T≤1.2，或者0.7mm≤T≤2mm且A/T≤0.25；其中，T为所述进口喉道的宽度，A为所述进口喉道的高度；

所述振荡腔体中部设置有用于增加流体不稳定性并能够影响振荡腔侧壁附面层厚度的扰流体；

扰流体在过流断面上的投影的最长长度与进口喉道宽度的比值应当大于等于0.5小于等于2.5。

2.如权利要求1所述的一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器，其特征在于：所述扰流体的中心到喷口的距离大于等于进口喉道的宽度。

3.如权利要求1所述的一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器，其特征在于：所述扰流体的中心到反馈通道出口接近所述喷口的端面的距离大于等于进口喉道的宽度。

4.如权利要求1所述的一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器，其特征在于：所述扰流体满足0.2≤ID/IW≤0.8，其中ID为扰流体的中心到所述振荡腔体任一侧壁的距离，IW为振荡腔体两侧壁之间的距离。

5.如权利要求4所述的一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器，其特征在于：所述扰流体位于所述振荡腔体的对称轴上。

6.如权利要求1-5任意一项所述的一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器，其特征在于：所述扰流体为圆柱形或多边形。

7.如权利要求1-5任意一项所述的一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器，其特征在于：所述喷口为扇型，喷口较小的截面与振荡腔体连通形成出口喉道，喷口较大的截面背离所述振荡腔体设置。

8.如权利要求1-5任意一项所述的一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器，其特征在于：具有2个及以上的所述扰流体。

9.如权利要求1-5任意一项所述的一种亚毫米自激扫掠喷射振荡器，其特征在于：所述扰流体的高度与振荡腔体内部高度一致。

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