一种仿生可调式环形水射流喷嘴

一种仿生可调式环形水射流喷嘴
1.技术领域
2.本发明涉及一种仿生可调式环形水射流喷嘴，属于流体元件技术领域。


背景技术：

3.高压水射流，是以水为介质，通过高压发生设备增压获得巨大能量后，经一定形状的喷嘴喷出的一股能量集中的高速水流。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。
4.自激振荡射流是近几年发展起来的一种新型高效脉冲射流。自激振荡喷嘴是一种将射流扰动能量放大，加速射流失稳、空化等过程，进而产生振荡射流的一种喷嘴结构。其激发原理包含流体稳定性、流体共振以及水声学等理论。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，从而增强射流的空化作用和打击果。它兼有脉冲射流、空化射流的特点，因此成为近年来国内外许多学者研究的前沿性课题。
5.自激振荡喷嘴装置是产生自激振荡射流的核心部件，其结构参数尤其是腔内尺寸直接决定了射流的振荡脉动效果。自激振荡效果的产生不仅与振荡腔结构尺寸有关，而且还与水射流的工作参数相关。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，但在实际应用过程中，一般一种自激振荡喷嘴只能适用于某一特定工况，不利于该类喷嘴的推广与应用。
6.正因为这些问题的存在，一方面自激振荡喷嘴的性能和效率还具有提升空间，另一方面自激振荡喷嘴的适应性还不强。为此，亟需设计一种可以适应多种工况且高效率的自激振荡脉冲射流喷嘴。


技术实现要素：

7.本发明提供一种仿生可调式环形水射流喷嘴，解决了喷嘴效率低以及出水口无法调节大小的问题。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种仿生可调式环形水射流喷嘴，包括喷嘴主体，进水口位于喷嘴主体轴向中心线上，在喷嘴主体靠近进水口的位置开设槽道，堵针的顶部连接在槽道内，且堵针的顶部相对槽道可移动；在堵针顶部开设进水孔，喷嘴主体的内腔为多腔仿生结构，当水由进水口进入喷嘴主体内腔时，水由进水孔喷射至喷嘴主体的内腔壁；随着堵针顶部相对槽道位置的改变，堵针的尾部与喷嘴主体出水口处的腔壁之间的距离发生改变，当堵针顶部位于槽道靠近进水口的端部，堵针的尾部将喷嘴主体出水口
封闭；作为本发明的进一步优选，所述喷嘴主体的多腔仿生结构是相对轴向中心线的对称结构，内部为空心结构，其腔壁靠近进水口的部分呈波浪形；作为本发明的进一步优选，喷嘴主体的腔壁呈现的波浪形包括多个顺次平滑连接的波谷与波峰组合，且喷嘴主体的腔径由进水口至出水口方向逐渐变小；作为本发明的进一步优选，所述喷嘴主体的腔壁包括两个顺次平滑连接的波谷与波峰组合；作为本发明的进一步优选，所述喷嘴主体的内腔曲线曲率半径为1；在喷嘴主体内两个平滑连接的波谷与波峰组合中，定义靠近喷嘴主体出水口处的波谷与波峰组合为上腔室，靠近进水口处的波谷与波峰组合为下腔室，两个波峰处的腔径比为d1/d3=0.6-3.6，两个波谷处的腔径为d2/d4=0.5-2.5；堵针垂直部分的直径为下腔室波峰处腔径的15%-25%；上腔室平行于中心线处的腔长与下腔室平行于中心线处的腔长比为l1/l2=0.3-3.3；作为本发明的进一步优选，喷嘴主体内腔靠近出水口的部分为圆柱状内壁，进水口处的腔壁向外扩张；作为本发明的进一步优选，进水口处的腔壁向外扩张后，倾斜的腔壁与堵针尾部的平行；作为本发明的进一步优选，堵针整体呈t型状，其横向部分为堵针的顶部，在堵针顶部开设的进水孔为y型孔状结构，进水孔的两个流道分支位于堵针的竖直部分，且相对喷嘴主体中轴线对称；作为本发明的进一步优选，水由进水口进入，通过y型孔状结构的两个流道喷射至喷嘴主体的内腔壁，将喷嘴主体内分成两个相对堵针对称的振荡腔，在出水口处形成环形射流；作为本发明的进一步优选，：在槽道的槽壁上设置内螺纹，堵针的顶部外壁设置外螺纹，内螺纹与外螺纹匹配。
9.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、本发明提供的仿生可调式环形水射流喷嘴，其出水口面积可调整，拓展了自激振荡喷嘴的应用工况，为自激振荡喷嘴产品优化、系列化奠定了基础；2、本发明提供的仿生可调式环形水射流喷嘴，将自然界生物的振荡放大结构特征引入喷嘴内部结构中，以其尾部多腔室结构为基础，设计出仿生喷嘴结构，具有较佳的自激振荡效果；3、本发明提供的仿生可调式环形水射流喷嘴，通过出口形状（角度）和面积的调节，提升了射流发生的效率以及工作能力；4、本发明提供的仿生可调式环形水射流喷嘴，易于拆装维护、工作效率高，实用性较佳，具有良好的市场前景。
附图说明
10.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
11.图1是本发明提供的优选实施例在初始状态时模型示意图；图2是本发明提供的优选实施例在某一工况下的模型示意图；图3是本发明提供的优选实施例在某一工况下的模型示意图；图4是本发明提供的优选实施例在某一工况下的模型示意图；图5是本发明提供的优选实施例在闭合状态时模型示意图；图6是本发明提供的优选实施例在某一工况下的模型尺寸示意图；图7是本发明提供的优选实施例在某一工况下进水流方向示意图；图8是本发明提供的优选实施例在某一工况下进水流方向示意图；图9是本发明提供的优选实施例在不同出水口角度某一工况下的模型示意图；图10是本发明提供的优选实施例在不同出水口角度某一工况下的模型示意图。
12.图中：1为堵针，1-1为进水孔，1-2为流道，1-3为外螺纹，2为喷嘴主体，2-1为进水口，2-2为左振荡腔，2-3为出水口，2-4为右振荡腔，2-5为内螺纹。
具体实施方式
13.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。
14.如背景技术中阐述的，目前关于自激振荡喷嘴，其基本只能适用于某一特定工况，同时其自激振荡效果往往来源于水射流发生装置提供的水流压力大小决定，因此自激振荡效果也有待于进一步提高。因此本技术提供了一种仿生可调式环形水射流喷嘴，包括喷嘴主体2，图1所示，在喷嘴主体内还设置了一根可调式堵针1，堵针的作用主要是调节喷嘴主体出水口2-3的面积，以适应多工况。
15.具体的，进水口2-1位于喷嘴主体轴向中心线上，在喷嘴主体靠近进水口的位置开设槽道，堵针的顶部连接在槽道内，且堵针的顶部相对槽道可移动；在堵针顶部开设进水孔1-1，当水由进水口进入喷嘴主体内腔时，水由进水孔喷射至喷嘴主体的内腔壁；随着堵针顶部相对槽道位置的改变，堵针的尾部与喷嘴主体出水口处的腔壁之间的距离发生改变，图2-图4给出了堵针尾部相对出水口位置改变时的几个工况，当堵针顶部位于槽道靠近进水口的端部，堵针的尾部将喷嘴主体出水口封闭，如图5所示。也就是说，水流需要由出水口喷出，那么堵针尾部相对出水口位置关系的改变，可以调节出水口的面积。
16.在本技术中，还有一个较为突出的创新点，就是引用了响尾蛇尾部的仿生结构，在喷嘴主体内部形成最佳的自激振荡效果，以提高脉冲射流发生的效率。如图1所示，所述喷嘴主体是相对轴向中心线的对称结构，内部为空心结构，其腔壁靠近进水口的部分呈波浪形。喷嘴主体的腔壁呈现的波浪形包括多个顺次平滑连接的波谷与波峰组合，且喷嘴主体的腔径由进水口至出水口方向逐渐变小。
17.优选实施例中，喷嘴主体的腔壁包括两个顺次平滑连接的波谷与波峰组合。由于喷嘴主体内壁是设计成仿生流线型结构的，因此为了获得较佳的自激振荡效果，将喷嘴主
体的内腔曲线曲率半径范围限定为1左右。同时对喷嘴主体内各个部分的腔径比例做了限定，如图6所示，在喷嘴主体内两个平滑连接的波谷与波峰组合中，两个波峰处的腔径比为d1/d3=0.6-3.6，两个波谷处的腔径为d2/d4=0.5-2.5；定义靠近喷嘴主体出水口处的波谷与波峰组合为上腔室，靠近进水口处的波谷与波峰组合为下腔室，堵针垂直部分的直径为下腔室波峰处腔径的15%-25%，可以产生很好的自激振荡脉冲射流；同时，上腔室平行于中心线处的腔长与下腔室平行于中心线处的腔长比为l1/l2=0.3-3.3时，可以促进脉冲空化射流的发生，喷嘴主体内在中心线方向含气率高，水流在出水口处速度分别均匀且流速较大，因此可以产生较好的射流清洗效果。
18.为了在喷嘴主体的内腔中形成最佳自激振荡效果，还需要配合堵针进水孔结构的设置，本技术中堵针整体呈t型状，其横向部分为堵针的顶部，在堵针顶部开设的进水孔为y型孔状结构，进水孔的两个流道1-2分支位于堵针的竖直部分，且相对喷嘴主体中轴线对称。水射流发生装置提供的高压水通过高压软管接入喷嘴主体的进水口，图7-图8所示，堵针进行调节，水由进水口进入，进水过程中高速流速的不稳定的微弱扰动波即涡旋扰动，通过y型孔状结构的两个流道喷射至喷嘴主体的内腔壁，这里，在y型孔状结构内的两个流道处水流方向互不相同，水流碰撞到不同的喷嘴主体内壁，将喷嘴主体内分成两个相对堵针对称的振荡腔（定义为左振荡腔2-2以及右振荡腔2-4），在振荡腔的谐振作用下水流逐渐形成大尺度的涡环结构，这些涡环结构与波浪形的腔壁碰撞反射产生不同的脉冲射流，由左振荡腔以及右振荡腔的出水口处喷出，并且在出水口处形成环形射流。
19.同时如图9-图10所示，喷嘴主体通过改变堵针旋入其内的深度，实现射流出口环形面积的改变，通过增加工作面积，从而调节射流的出流状态，进而提升了喷嘴主体的工作效率。
20.在本技术提供的优选实施例中，喷嘴主体内腔靠近出水口的部分为圆柱状内壁，进水口处的腔壁向外扩张。进水口处的腔壁向外扩张后，倾斜的腔壁与堵针尾部的平行。这里倾斜的腔壁与堵针尾部也可以不平行；辅助的，可以使得堵针相对喷嘴主体之间的夹角角度发生改变，来实现射出水流角度及水流大小的变化。
21.堵针的顶部与槽道的连接是采用的螺纹连接，具体的在槽道的槽壁上设置内螺纹2-5，堵针的顶部外壁设置外螺纹1-3，内螺纹与外螺纹匹配。
22.综上可知，本技术提供的仿生可调式环形水射流喷嘴，其堵针由喷嘴主体进水口处的槽道旋入，通过改变其旋入喷嘴主体的深度，实现出水口面积的改变，结合自然界具有自激放大原理的生物结构优化喷嘴结构，拓展了应用工况，提升了脉冲射流的发生效率以及调控精度。
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。