一种控制矩形射流扩张角的方法与流程

1.本发明涉及射流流动控制技术领域，具体而言，涉及一种控制矩形射流扩张角的方法。


背景技术：

2.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。
3.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。射流外边界线之间的夹角称为射流扩张角或扩散角（射流半径与射程之间的关系）。
4.在工程应用领域中，射流的性能与工作效率密切相关。射流扩张角越小，扩散程度越小，射流能量就越集中，射流的射程也就越远，射流对靶物材料的冲击力就越强。射流扩张角越大，扩散程度越大，卷吸周围介质的能力越强，即具有较强的能力去与周围介质进行混合，比如空调系统就需要这样的射流性能。因此，优化喷口结构，改善掺混性能，扩张角可控，不仅具有深刻的科学意义，而且对于航天航天、工业、农业以及生物医学领域的设备研发具有重要的指导价值。
5.国内外的优化射流喷口的研究工作主要集中在喷口整体的外形结构方面，比如圆形喷口、环形喷口、矩形或方形喷口、条缝喷口（矩形喷口长宽比大于10就属于条缝喷口或平面喷口），或者是以上不同结构的组合。不同应用领域根据使用需求和特点选择喷口。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种控制矩形射流扩张角的方法，以实现矩形射流扩张角可调节，即根据需要可减小矩形射流扩张角或增大矩形射流扩张角。
7.本发明提供的一种控制矩形射流扩张角的方法，包括：在矩形射流的喷口上安装若干涡流发生器；通过改变所述涡流发生器的安装位置来减小或增大扩张角。
8.在一些实施例中，所述通过改变所述涡流发生器的安装位置来减小或增大扩张角的方法为：当需要减小扩张角时，在矩形射流的喷口角部安装若干涡流发生器；当需要增大扩张角时，在矩形射流的喷口中部安装若干涡流发生器。
9.在一些实施例中，所述涡流发生器安装8个。
10.进一步的，所述通过改变所述涡流发生器的安装位置来减小或增大扩张角的方法
为：当需要减小扩张角时，在矩形射流的每个喷口角部安装2个涡流发生器；当需要增大扩张角时，在矩形射流的每个喷口中部安装2个涡流发生器。
11.在一些实施例中，所述涡流发生器采用扰流片。
12.进一步的，所述扰流片包括三角形扰流片、矩形扰流片或多边形扰流片。
13.在一些实施例中，所述涡流发生器采用扰流体。
14.进一步的，所述扰流体包括三棱锥扰流体或流线型扰流体。
15.在一些实施例中，当所述涡流发生器采用三棱锥扰流体时，所述涡流发生器的尺寸如下：所述涡流发生器的顺流向长度c满足：c≤x，其中，x为矩形射流的喷口深度；所述涡流发生器的宽度d满足：0.03y≤d≤0.1y，其中，y为矩形射流的喷口的短边边长；所述涡流发生器的厚度t满足，0.1d≤t≤0.2d。
16.在一些实施例中，所述涡流发生器的安装位置如下：在矩形射流的喷口角部安装涡流发生器时，涡流发生器与矩形射流喷口的相邻侧壁的距离为l，0.5d≤l≤d；在矩形射流的喷口中部安装涡流发生器时，两个涡流发生器的间距也为l，0.5d≤l≤d。
17.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，既可以减小矩形射流扩张角，又可以增大矩形射流扩张角；2、本发明不改变原矩形射流喷口的整体外形，只在矩形射流的喷口角部或者喷口中部增加8个涡流发生器，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，又发挥了导流单位对扩张角的有效控制作用；3、扰流片或者扰流体的涡流发生器外形简单，安装方便，调节灵活；4、涡流发生器数目较少，对射流噪声影响不大。
附图说明
18.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。
19.图1为本发明实施例中控制矩形射流扩张角的方法的流程图。
20.图2为本发明实施例中在矩形射流的喷口角部安装若干涡流发生器的示意图。
21.图3为本发明实施例中在矩形射流的喷口中部安装若干涡流发生器的示意图。
22.图4为本发明实施例中三棱锥涡流发生器的三视示意图（图中左上：侧视图；图中左下：俯视图；图中右上：正视图）。
23.图5a为本发明实施例中喷口角部未安装涡流发生器的矩形射流水平截面的速度云图。
24.图5b为本发明实施例中喷口角部已安装涡流发生器的矩形射流水平截面的速度云图。
25.图6a为本发明实施例中喷口角部未安装涡流发生器的矩形射流水平横截面的速度云图。
26.图6b为本发明实施例中喷口角部已安装涡流发生器的矩形射流水平横截面的速度云图。
具体实施方式
27.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。
28.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
29.如图1所示，本实施例提出一种控制矩形射流扩张角的方法，包括：在矩形射流的喷口上安装若干涡流发生器；通过改变所述涡流发生器的安装位置来减小或增大扩张角。
30.在本实施例中，所述通过改变所述涡流发生器的安装位置来减小或增大扩张角的方法为：如图2所示，当需要减小扩张角时，在矩形射流的喷口角部安装若干涡流发生器；如图3所示，当需要增大扩张角时，在矩形射流的喷口中部安装若干涡流发生器。
31.由图2、图3可以看出，所述涡流发生器可以安装8个。由此，所述通过改变所述涡流发生器的安装位置来减小或增大扩张角的方法为：当需要减小扩张角时，在矩形射流的每个喷口角部安装2个涡流发生器；当需要增大扩张角时，在矩形射流的每个喷口中部安装2个涡流发生器。
32.本实施例中所述涡流发生器的外形并不限定。所述涡流发生器可以采用具有一定厚度的扰流片，例如三角形扰流片、矩形扰流片或多边形扰流片等，如图2、图3中所示为矩形扰流片。所述涡流发生器还可以采用扰流体，例如三棱锥扰流体或流线型扰流体等。
33.如图4所示，以三棱锥扰流体为例来说明本实施例中所述涡流发生器的外形尺寸及安装位置，具体地：(1)所述涡流发生器的尺寸如下：所述涡流发生器的顺流向长度c满足：c≤x，其中，x为矩形射流的喷口深度；所述涡流发生器的宽度d满足：0.03y≤d≤0.1y，如图2所示，y为矩形射流的喷口的短边边长；所述涡流发生器的厚度t满足，0.1d≤t≤0.2d。
34.(2)所述涡流发生器的安装位置如下：在矩形射流的喷口角部安装涡流发生器时，涡流发生器与矩形射流喷口的相邻侧壁的距离为l，如图2所示，0.5d≤l≤d；在矩形射流的喷口中部安装涡流发生器时，两个涡流发生器的间距也为l，如图3所示，0.5d≤l≤d。
35.示例：对涡流发生器控制射流扩张角的物理机理进行了计算流体力学（cfd）研究，图5a、图5b为射流水平截面的速度云图；图6a、图6b为射流水平横截面的速度云图（图中黑色框为喷口）。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。所有射流都具有发生卷吸、截面扩张的特点。由图5a可以看出，没有涡流发生器时射流向两侧展开较宽的幅度，但在矩形射流的喷口角部安装涡流发生器后，由图6b可以看出，涡流发生器在喷口角部产生的强旋涡结构将湍动能从剪切层中部吸引至两侧角部，从而抑制了中部剪切层的扩张，与图6a相比，喷口4个边外围中部的剪切层明显变薄。图5b和5a相比，可以看出，喷口角部安装涡流发生器后，射流扩张角明显减小。同理可知，当把涡流发生器安装在喷口中部时，涡流发生器的抽吸机制将放大喷口中部的剪切层，使射流扩张角增大。
36.由上可以看出，本发明具有以下优点：1、本发明根据使用需求，既可以减小矩形射流扩张角，又可以增大矩形射流扩张角；2、本发明不改变原矩形射流喷口的整体外形，只在矩形射流的喷口角部或者喷口中部增加8个涡流发生器，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，又发挥了导流单位对扩张角的有效控制作用；3、扰流片或者扰流体的涡流发生器外形简单，安装方便，调节灵活；4、涡流发生器数目较少，对射流噪声影响不大。
37.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。