一种气动悬浮喷嘴结构及气动悬浮装置

本申请涉及气动悬浮领域，具体而言，涉及一种气动悬浮喷嘴结构及气动悬浮装置。

背景技术：

1、气动悬浮是一种在气流作用下，使得样品悬浮，进而熔化和凝固的悬浮无容器处理技术，在快速凝固、新材料制备和高温熔体热物理性质测定等研究领域有着重要的作用。样品在悬浮状态下，进行熔化、凝固等，可以实现热物理性质的准确探测，改善和优化合金的组织结构，制备具有亚稳相和非晶相的新型材料。气动悬浮装置悬浮样品的性能与气动悬浮装置的结构、悬浮环境、气体种类、流速、气流扰动等多方面因素有关，起到关键作用的是气动悬浮装置中的喷嘴结构，喷嘴结构决定了气体的流速、气流的扰动分布等；因此，喷嘴结构对于气动悬浮技术和气动悬浮装置都是关键的部件。

2、现有的喷嘴结构大都是气体从喷嘴的进气口流入，直接进入流道，在流道的另一端流出，形成气流，对样品进行悬浮。喷嘴结构简单，流道为圆柱状，结合简单的锥形口，流出端形成的气体流速通过进气口的流速进行调整，气体在流道中运动时，将气流的扰动也进行传递，使得流出端气体的扰动较强，从而气流扰动强，样品悬浮不稳定，样品发生固液转变的过程尤甚。例如，名称为“aerodynanic levitation of laser-heated solids ingas jets”的文献公开了通过设计带锥形口的圆柱形单流道和多流道喷嘴对3-5mm的钢、lab6、玻璃和al2o3等材料进行气动悬浮，研究发现可以对固态样品进行长时间的稳定悬浮，但加热熔化为液态时，由于气流对扰动的敏感性增加，很难通过调节气体流速维持样品的稳定悬浮，其液态样品能稳定悬浮的时间为5-10s；文献“基于气动悬浮的高温氧化物熔体热物性测量”、“aerodynamic levitation，supercooled liquids and glass formation”中公开了使用锥形喷嘴气动悬浮样品尺寸在1-3mm之间的高温氧化物和玻璃熔体，气体的流速为0.2-0.5l/min，然而较低悬浮样品尺寸和气体流速严重制约了气动悬浮技术在大体积亚稳相、金属玻璃等新材料制备及快速凝固领域的发展。

3、综上所述，现有气动悬浮装置喷嘴结构简单，喷出的气流扰动大，流场分布不稳定，流速低，使得较大尺寸的样品和熔化后的液态样品无法稳定悬浮。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种气动悬浮喷嘴结构及气动悬浮装置，以解决现有气动悬浮装置喷嘴结构简单，喷出的气流扰动大，流场分布不稳定，流速低，使得较大尺寸的样品和熔化后的液态样品无法稳定悬浮的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本申请提供一种气动悬浮喷嘴结构该喷嘴结构包括喷嘴本体和设置于喷嘴本体内部的气体流道，气体流道连接进气口和出射口，出射口设置于喷嘴本体的上表面，由进气口向出射口，气体流道包括依次排布的稳压室、稳流区、加速区、放样区，由加速区一侧向出射口一侧，放样区的直径由小变大，由稳流区一侧向放样区一侧，加速区的直径由大变小。

4、进一步地，稳流区包括依次排布的过渡区、阻尼区、整流区，过渡区与稳压室连通，整流区与加速区连通；过渡区、阻尼区、整流区均为柱状。

5、更进一步地，稳压室、过渡区、阻尼区、整流区、加速区、放样区的中心轴线重合，且进气口和出射口的中心位于中心轴线上。

6、更进一步地，稳压室、过渡区、整流区的形状为圆柱状，稳压室的直径为d3，过渡区和整流区的直径相同均为d2，加速区到放样区直径先由大变小，再由小变大，直径最小处为d1；稳压室的直径d3为整流区直径d2的3-4倍；整流区的直径d2与d1的表达式为d2＝β·d1，其中，β为加速区的收缩比。

7、更进一步地，放样区的长度为l0，加速区的长度为l1，整流区的长度为l2，过渡区的长度为l6，阻尼区和过渡区的长度之和为l5，阻尼区的长度为l5-l6，稳压室的长度为l3；过渡区的长度l6为过渡区的直径d2的0.3倍以上，阻尼区和过渡区的长度之和l5不大于整流区长度l2的1/3倍，稳压室的长度l3为整流区的长度l2的1-1.2倍，整流区的长度l2为整流区直径d2的2-3倍；加速区的长度l1与d1的表达式为：l1＝γ·d1，其中，γ为加速区的长径比。

8、更进一步地，阻尼区为在圆柱状的流道内固定设置阻尼模块，阻尼模块包括阻尼片和阻尼垫，阻尼片的开孔率表示为：其中，b为相邻孔间距，数值为d1的1/100倍，d为开孔宽度，开孔率大于0.56。

9、更进一步地，喷嘴本体包括第一喷嘴机构和第二喷嘴机构，第一喷嘴机构和第二喷嘴机构中各设置有沿竖直方向分开的气体流道的二分之一，第一喷嘴机构和第二喷嘴机构合在一起形成气体流道。

10、更进一步地，第一喷嘴机构中流道的两侧设置有凸起结构，第二喷嘴机构中流道的两侧设置有凹槽结构，凸起结构与凹槽结构之间无间隙接触；喷嘴本体为紫铜材质。

11、本申请还提供了一种气动悬浮装置，包括装置本体、支撑机构、悬浮机构，装置本体上部分为半球状，下部分为圆柱状，支撑机构包括固定连接的支撑杆和支撑板，支撑杆固定在装置本体底壁，悬浮结构固定于支撑板上，悬浮机构为上述喷嘴结构。

12、进一步地，气动悬浮装置，支撑板中央设置有贯穿孔，贯穿孔的中心轴与悬浮机构中气体流道的中心轴线共线；装置本体上设置有激光窗口、取放样窗口、探测窗口、静电法兰、抽气泵法兰、泄压法兰、第一进气法兰、第二进气法兰。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果：本申请提出了一种气动悬浮喷嘴结构，对喷嘴本体内部的流道进行时设计，气体流道包括稳压室、稳流区、加速区、放样区；以实现对进气流进行了稳压、稳流、加速，最终出射口出射的气流流速较大且稳定，因此，本申请喷嘴结构喷出的气流扰动小，气流分布稳定，使得样品能够稳定悬浮。本申请还提供了一种利用了上述喷嘴结构的气动悬浮装置。本申请喷嘴结构和气动悬浮装置形成的气膜稳定，扰动小，能够使得样品稳定悬浮，从而便于进行对应热物理性质的探测或对样品进行处理。

技术特征：

1.一种气动悬浮喷嘴结构，所述喷嘴结构包括喷嘴本体和设置于所述喷嘴本体内部的气体流道，所述气体流道连接进气口和出射口，所述出射口设置于所述喷嘴本体的上表面，其特征在于，由所述进气口向所述出射口，所述气体流道包括依次排布的稳压室、稳流区、加速区、放样区；由所述加速区一侧向所述出射口一侧，所述放样区的直径由小变大；由所述稳流区一侧向所述放样区一侧，所述加速区的直径由大变小。

2.根据权利要求1所述的气动悬浮喷嘴结构，其特征在于，所述稳流区包括依次排布的过渡区、阻尼区、整流区，所述过渡区与所述稳压室连通，所述整流区与所述加速区连通；所述过渡区、所述阻尼区、所述整流区均为柱状。

3.根据权利要求2所述的气动悬浮喷嘴结构，其特征在于，所述稳压室、所述过渡区、所述阻尼区、所述整流区、所述加速区、所述放样区的中心轴线重合，且所述进气口和所述出射口的中心位于所述中心轴线上。

4.根据权利要求3所述的气动悬浮喷嘴结构，其特征在于，所述稳压室、所述过渡区、所述整流区的形状为圆柱状，所述稳压室的直径为d3，所述过渡区和所述整流区的直径相同均为d2，所述加速区到所述放样区直径先由大变小，再由小变大，所述直径最小处为d1；所述稳压室的直径d3为所述整流区直径d2的3-4倍；所述整流区的直径d2与所述d1的表达式为d2＝β·d1，其中，β为所述加速区的收缩比。

5.根据权利要求4所述的气动悬浮喷嘴结构，其特征在于，所述放样区的长度为l0，所述加速区的长度为l1，所述整流区的长度为l2，所述过渡区的长度为l6，所述阻尼区和所述过渡区的长度之和为l5，所述阻尼区的长度为l5-l6，所述稳压室的长度为l3；所述过渡区的长度l6为所述过渡区的直径d2的0.3倍以上，所述阻尼区和所述过渡区的长度之和l5不大于所述整流区长度l2的1/3倍，所述稳压室的长度l3为所述整流区的长度l2的1-1.2倍，所述整流区的长度l2为所述整流区直径d2的2-3倍；所述加速区的长度l1与所述d1的表达式为：l1＝γ·d1，其中，γ为所述加速区的长径比。

6.根据权利要求5所述的气动悬浮喷嘴结构，其特征在于，所述阻尼区为在圆柱状的流道内固定设置阻尼模块，所述阻尼模块包括阻尼片和阻尼垫，所述阻尼片的开孔率表示为：其中，b为相邻孔间距，数值为所述d1的1/100倍，d为开孔宽度，所述开孔率大于0.56。

7.根据权利要求6所述的气动悬浮喷嘴结构，其特征在于，所述喷嘴本体包括第一喷嘴机构和第二喷嘴机构，所述第一喷嘴机构和所述第二喷嘴机构中各设置有沿竖直方向分开的所述气体流道的二分之一，所述第一喷嘴机构和所述第二喷嘴机构合在一起形成所述气体流道。

8.根据权利要求7所述的气动悬浮喷嘴结构，其特征在于，所述第一喷嘴机构中流道的两侧设置有凸起结构，所述第二喷嘴机构中流道的两侧设置有凹槽结构，所述凸起结构与所述凹槽结构之间无间隙接触；所述喷嘴本体为紫铜材质。

9.一种气动悬浮装置，包括装置本体、支撑机构、悬浮机构，其特征在于，所述装置本体上部分为半球状，下部分为圆柱状，所述支撑机构包括固定连接的支撑杆和支撑板，所述支撑杆固定在所述装置本体底壁，所述悬浮结构固定于所述支撑板上，所述悬浮机构为权利要求1-8中任一喷嘴结构。

10.根据权利要求9所述的气动悬浮装置，其特征在于，所述支撑板中央设置有贯穿孔，所述贯穿孔的中心轴与所述悬浮机构中气体流道的中心轴线共线；所述装置本体上设置有激光窗口、取放样窗口、探测窗口、静电法兰、抽气泵法兰、泄压法兰、第一进气法兰、第二进气法兰。

技术总结
本申请涉及气动悬浮领域，具体提供了一种气动悬浮喷嘴结构及气动悬浮装置。气动悬浮喷嘴结构包括喷嘴本体和设置于喷嘴本体内部的气体流道，气体流道连接进气口和出射口，出射口设置于喷嘴本体的上表面，由进气口向出射口，气体流道包括依次排布的稳压室、稳流区、加速区、放样区，由加速区一侧向出射口一侧，放样区的直径由小变大，由稳流区一侧向放样区一侧，加速区的直径由大变小。本申请对喷嘴本体内部的流道进行时设计，气体流道包括稳压室、稳流区、加速区、放样区；以实现对进气流进行了稳压、稳流、加速，最终出射口出射的气流流速较大且稳定，因此，本申请喷嘴结构喷出的气流扰动小，气流分布稳定，使得样品能够稳定悬浮。

技术研发人员：王伟丽,李楠,魏炳波,燕鹏旭,李文慧
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8