СТРУЙНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2000 года по МПК F15C1/22 

Изобретение касается струйного генератора, который симметричен относительно продольной плоскости симметрии и который включает в себя вход для впуска текучей среды, приспособленный для образования двухмерной струи текучей среды, совершающей колебания в поперечном направлении относительно указанной плоскости, препятствие, имеющее переднюю стенку, в которой выполнена полость, расположенная напротив указанного входа текучей среды и омываемая колеблющейся струей.

В документе FR 2690717 описан струйный генератор этого типа, показанный в верхней части фиг. 1.

Этот генератор 1 включает в себя колебательную камеру 2 и препятствие 4, заключенное внутри указанной камеры. Препятствие 4 имеет переднюю стенку 6, в которой выполнена основная полость 8, расположенная напротив отверстия 10.

Отверстие 10 ограничивает впуск текучей среды в колебательную камеру 2 и предназначено для образования двухмерной струи текучей среды, которая совершает колебания в поперечном направлении относительно продольной плоскости P симметрии.

В процессе колебаний струя текучей среды попеременно омывает основную полость 8.

Препятствие 4 также имеет в своей передней части 6 две вторичные полости 12 и 14, расположенные по обеим сторонам основной полости 8. Эти дополнительные полости 12 и 14 распложены напротив передних стенок колебательной камеры, прилегающих к отверстию 10, и ограничены заостренными элементами 12a, 12b и 14a, 14b.

Форма участка основной полости, наиболее удаленного от отверстия, является круглой, а края указанной полости расширяются по мере приближения к отверстию (фиг. 1).

Когда струя текучей среды встречается с основной полостью и омывает ее, на каждой стороне струи образуются завихрения, которые попеременно становятся сильными и слабыми и находятся в противофазе и связаны с колебаниями указанной струи.

Эти завихрения деформируются во время колебаний струи, и назначение дополнительных полостей 12 и 14 состоит в том, чтобы вмещать радиальную протяженность завихрений, зависящую от управления протеканием струи, где радиальная протяженность - это расстояние между центром рассматриваемого завихрения и его периметром.

Наряду с боковыми стенками колебательной камеры препятствие 4 ограничивает два канала C1 и C2, которые позволяют текучей среде протекать вниз по потоку струйного генератора в направлении выпускного канала 16.

Нижеследующее описание касается общего функционирования струйного генератора в переходном состоянии со ссылками на фиг. 2 и 3.

Воздействие струи F текучей среды обеспечивает омывание основной полости между крайними точками I1 и I2. Колебания сопровождаются образованием основных завихрений T1 и T2, локализованных между передней стенкой 6 препятствия 4 и стенками колебательной камеры 2, прилегающими к отверстию 10.

На фиг. 2 показано, что когда воздействие струи обеспечивает удар по точке I1, то завихрение T1 является концентрированным и сильным, тогда как завихрение T2 является слабым. Струя текучей среды выбрасывается, в основном, по каналу C2.

В турбулентном состоянии обе вторичные полости 12 и 14 заполнены вторичными завихрениями Ts1 и Ts2, попеременно сильными и слабыми, находящимися в противофазе с основными завихрениями. Но чем сильнее ослабевает поток, тем больше снижается интенсивность и концентрация этих вторичных завихрений.

В результате радиальная протяженность сильного основного завихрения (T1 на фиг. 2) увеличивается, так что при уменьшении потока оно постепенно занимает вторичную полость 12, противодействуя вторичному завихрению Ts1, которое в конце концов полностью исчезает.

С другой стороны, дополнительное завихрение Ts2, созданное выбросом струи текучей среды, по-прежнему присутствует внутри дополнительной полости 14.

На фиг. 3 показано, что удар струи текучей среды происходит в точке 12, и при этом образуется завихрение T2, которое имеет увеличенную радиальную протяженность, причем вторичное завихрение Ts2 полностью исчезает при достаточном снижении потока. Основные завихрения, когда они имеют высокую концентрацию и сильны, имеют большую радиальную протяженность в переходном состоянии, чем та, которую они имеют в турбулентном состоянии (поскольку в этом последнем состоянии обе вторичные полости полностью заняты вторичными завихрениями, уменьшается пространство, имеющееся для развития основных завихрений). Частота колебаний значительно меньше, когда радиальная протяженность сильных основных завихрений велика.

Таким образом, этот струйный генератор, по сравнению с ранее известными струйными генераторами, имеет повышенную частоту колебаний в турбулентном состоянии и пониженную частоту колебаний в переходном состоянии, а значит - и улучшенную линейность.

Однако этот струйный генератор имеет недостаточную воспроизводимость измерений из-за наличия заостренных элементов 12a, 12b, 14a и 14b.

Фактически при изготовлении трудно постоянно точно воспроизводить вторичные полости, и несоответствия, получаемые при переходе от одного струйного генератора к другому, привели к необходимости калибровочных кривых, нелинейность которых оказалась неадекватной предусмотренным применениям.

Настоящее изобретение направлено на решение этой проблемы путем предложения струйного генератора, рабочие характеристики которого остаются примерно такими же, как у генератора, описанного в документе FR 2690717.

Таким образом, настоящее изобретение касается струйного генератора, который симметричен относительно продольной плоскости симметрии и включает в себя вход для текучей среды, предназначенный для образования двухмерной струи текучей среды, совершающей колебания в поперечном направлении относительно плоскости симметрии, препятствие, в котором выполнена полость, расположенная напротив указанного входа для текучей среды, и которая омывается колеблющейся струей, отличающегося тем, что препятствие имеет переднюю стенку, включающую в себя две по существу плоские передние поверхности, прилегающие к полости, причем плоскость каждой поверхности приблизительно перпендикулярна плоскости симметрии, указанная полость определена поверхностью, приблизительно параллельной плоскости симметрии в точках, где эта поверхность соединяется с каждой из указанных передних поверхностей, а препятствие также имеет две боковые стенки, боковые поверхности которых приблизительно параллельны плоскости симметрии в точках, где каждая из них соединяется с соответствующей передней поверхностью.

Новая упрощенная конфигурация струйного генератора, соответствующего изобретению, дает возможность получить основные завихрения, радиальная протяженность которых (расстояние между центром завихрения и его периферией) увеличивается с числом Рейнольдса, внося таким образом вклад в уменьшение частоты колебаний струи.

Таким образом, рабочие характеристики нового струйного генератора примерно такие же, как у известного генератора, описанного в патенте FR 2690717.

Конфигурация этого струйного генератора позволяет завихрениям развиваться свободнее, чем в известном генераторе, где дополнительные полости накладывают напряжения, связанные с их геометрией, на завихрения в соответствии со скоростью потока струи.

В известном струйном генераторе в условиях турбулентного и установившегося потоков обе вторичные полости заняты вторичными завихрениями, существующими помимо основных завихрений, тогда как в генераторе, соответствующим настоящему изобретению, только основные завихрения занимают пространство, расположенное между передней частью препятствия и отверстием для впуска текучей среды.

В известном струйном генераторе в переходном состоянии размер основных завихрений увеличен по сравнению с теми же завихрениями в турбулентном и установившемся состояниях.

Факт устранения вторичных полостей, а значит - и заостренных элементов, ограничивающих указанные полости, упрощает изготовление струйного генератора и воспроизведение его с постоянной точностью.

В соответствии с одной отличительной особенностью изобретения струйный генератор включает в себя колебательную камеру, сообщенную с отверстием для впуска текучей среды и заключающую в себе препятствие. Колебательная камера имеет стенки, расположенные напротив передних поверхностей по обеим сторонам отверстия для впуска текучей среды, поверхности которых приблизительно параллельны указанным передним поверхностям.

Эта отличительная особенность также вносит вклад в регулирование размера завихрений.

Согласно другой отличительной особенности изобретения, препятствие имеет заднюю стенку, ограниченную задней поверхностью, приблизительно перпендикулярной продольной плоскости P симметрии.

Другие отличительные особенности и преимущества станут более очевидными по прочтении нижеследующего описания, приводимого просто в качестве примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает вид сверху известного струйного генератора;
фиг. 2 и 3 - схематически частичный вид сверху струйного генератора, показанного на фиг. 1 и работающего в переходном состоянии в два отдельных момента;
фиг. 4 - вид сверху струйного генератора, соответствующего одному конкретному варианту осуществления изобретения;
фиг. 5a и 5b - калибровочные кривые, полученные для известного струйного генератора и для струйного генератора, соответствующего настоящему изобретению;
фиг. 6a, 6b, 6c - схематически частичный вид сверху струйного генератора, показанного на фиг. 4 и функционирующего в состояниях установившегося, переходного и турбулентного потока.

Показанный на фиг. 4 и обозначенный позицией 20, струйный генератор используется применительно к потоку газа для определения расхода и объема газа, который прошел через указанный генератор.

Струйный генератор 20 симметричен относительно продольной плоскости P симметрии, вдоль которой ориентированы вход 22 и выход 24 для потока газа.

Вход 22 выполнен в виде отверстия с поперечным размером или постоянной шириной "d" и наибольшим размером, а именно - высотой в плоскости, перпендикулярной плоскости фиг. 4.

Отверстие преобразует поток газа, который проходит через него и обозначен стрелкой F, в двухмерную струю текучей среды (струя текучей среды остается почти одинаковой вдоль направления, параллельного высоте отверстия), которая совершает колебания в поперечном направлении относительно продольной плоскости P симметрии.

Струйный генератор 20 включает в себя колебательную камеру 26, в которую струя газа попадает через вход 22 и в середине которой расположено препятствие 28, занимающее основную часть указанной камеры.

Стенки препятствия 28 вместе со стенками 26a и 26b колебательной камеры 26 ограничивают два канала C1 и C2, обеспечивающие попеременный выброс потока газа по одному из них в направлении выхода 24 струйного генератора.

Препятствие 28 имеет одну переднюю стенку 30 напротив отверстия входа 22, полость 32, выполненную в указанном препятствии и распложенную напротив указанного отверстия, которая обдувается струей газа во время ее колебательного движения.

После удара о стенку полости струя разделяется на два потока.

В плоскости, показанной на фиг. 4, полость 32 имеет поверхность, профиль которой создает возможность направлять струю газа во время ее колебаний внутри указанной полости.

Чтобы добиться этого, поверхность должна быть криволинейной, а полость не должна быть слишком глубокой, иначе струю не удалось бы направить никуда, кроме дна полости.

Кроме того, поверхности следует придать профиль, предотвращающий возникновение явления рециркуляции внутри полости, что могло бы случиться, если бы полость имела тупые углы на своей поверхности.

Простейшая форма полости показана на фиг. 4 и соответствует полуокружности.

Однако подходят и другие формы при условии, что они выполняют ранее упомянутые функции.

Например, профиль поверхности может быть параболическим.

Передняя стенка 30 препятствия 28 также включает в себя две передние поверхности 34 и 36, расположенные симметрично по обеим сторонам полости 32 и являющиеся в основном плоскими.

Плоскость, в которой расположены эти две передние поверхности, приблизительно перпендикулярна продольной плоскости P симметрии и расположена по направлению потока справа от отверстия входа 22.

Однако нет настоятельной необходимости в том, чтобы эти поверхности были расположены в некоторой заданной плоскости или чтобы плоскость каждой из них была строго перпендикулярна плоскости P симметрии.

Колебательная камера 26 также включает в себя две стенки 26c и 26d, которые расположены симметрично по обеим сторонам отверстия 22 напротив передних поверхностей 34 и 36.

Стенки 26c и 26d имеют поверхности, параллельные передним поверхностям 34 и 36.

Завихрения, формируемые по обеим сторонам струи, должны располагаться между передними поверхностями 34 и 36 и соответствующими поверхностями стенок 26c и 26d. Следовательно, эти завихрения будут развиваться, по существу, свободно между этими поверхностями.

Форма полости 32 такова, что в точках A1 и A2, где указанная полость соединяется с передними поверхностями 34 и 36, поверхность указанной полости приблизительно параллельна продольной плоскости P симметрии.

Таким образом, возникающие из струи потоки, на которые она разделяется, встретив поверхность полости, и которые направляются указанной поверхностью, протекают, покинув указанную полость, вдоль направления, приблизительно параллельного продольной плоскости симметрии.

С другой стороны, если форма полости в точках A1 и A2 расширяется, поток направляется поверхностью полости 32 вдоль направления, довольно далекого от направления плоскости P симметрии, и существует риск нарушения развития этих завихрений.

Кроме того, тот факт, что поверхности стенок 26c и 26d параллельны передним поверхностям и что поток, выходящий из полости 32, следует в направлении, приблизительно перпендикулярном этим поверхностям, во избежание взаимодействия с потоком, ударяющимся об указанные поверхности стенок 26c и 26d, обеспечивает угол падения, достаточно далекий от прямого угла относительно этих поверхностей.

Фактически угол падения, достаточно далекий от прямого угла, должен приводить к изменению размера завихрения, расположенного между этой передней поверхностью и соответствующей противоположной поверхностью стенки 26c и 26d.

Препятствие 28 имеет две боковые стенки 38 и 40, соответственно прилегающие к каналам C1 и C2.

Эти стенки 38 и 40 имеют, в основном, плоские боковые поверхности, которые приблизительно параллельны продольной плоскости P симметрии в точках B1 и B2, где каждая их них соответственно соединяется с одной из соответствующих передних поверхностей 34 и 36.

Это дает возможность однозначно определить направление выхода потока и избежать явления рециркуляционного потока, риск возникновения которого существовал бы, если бы угол между боковыми поверхностями 38, 40 препятствия 28 и продольным направлением плоскости симметрии был очевидно больше нуля или если бы зона соединения между одной из боковых поверхностей и соответствующей передней поверхностью образовывала кривую.

В этих случаях также существовал бы риск нарушения образования завихрений.

В точках B1 и B2 зона соединения полностью определена и воспроизводима при массовом производстве, что обеспечивает точную фиксацию места края, разделяющего поток, в различающихся установившемся, переходном и турбулентном потоках.

С другой стороны, положение этого края, разделяющего поток, изменяется в соответствии с состояниями потока, скажем, для выпуклой зоны соединения. В результате, поскольку трудно надежно воспроизвести выпуклую форму, было бы трудно получить точное расположение разделительного края.

Как показано на фиг. 4, боковые поверхности стенок 38, 40 препятствия 28 вместе с боковыми стенками 26a и 26b камеры 26 ограничивают два канала, параллельные друг другу.

Препятствие 28 также имеет стенку 42, которая обращена к выпускному каналу - выходу 24 струйного генератора.

Эта задняя стенка 42 ограничена поверхностью, приблизительно перпендикулярной центральной части продольной плоскости P симметрии.

Фактически, чтобы избежать создания зон рециркуляции, эта задняя поверхность, которая симметрична относительно плоскости P, образует немного выпуклую четверть окружности от каждой из боковых поверхностей стенок 38, 40, а затем, до указанной плоскости P, образует прямой участок, несколько наклоненный относительно передних поверхностей 34, 36 препятствия 28.

Дно полости 32, которое соответствует участку указанной полости, наиболее удаленному от отверстия - входа 22, расположено на расстоянии, составляющем от 4 до 8 "d" от указанного отверстия и равном, например, 6,25 "d".

Продольный размер препятствия 28 между дном полости 32 и поверхностью задней стенки 42, также называемой минимальной толщиной, больше 0,05 "d", чтобы гарантировать достаточное механическое сопротивление, и меньше 2 "d".

Поперечный размер полости 32 составляет от 2,5 до 6,5 "d" и равен, например, 4,5 "d".

Передние поверхности 34, 36 расположены на расстоянии в продольном направлении от отверстия - входа 22, то есть - от стенок 26c и 26d, соответственно составляющем от 2,25 до 6,25d и равном, например, 4,25d.

Передние поверхности 34, 36 имеют поперечный размер или размер ширины, составляющий от 0,25 до 5 "d" и равный, например, 3,25 "d".

За счет упрощенной формы струйного генератора, соответствующего изобретению, этот генератор проще изготавливать при больших партиях, следовательно, это дает возможность обеспечить воспроизводимость формы и соответственно воспроизводимость измерений.

Более того, упрощенная форма струйного генератора, соответствующего изобретению, имеет повышенную стойкость применительно к проблемам загрязнения из-за накопления на генераторе пыли, переносимой потоком газа.

Струйный генератор, показанный на фиг. 4, способен измерять поток газа (или другой текучей среды, например - воды), который проходит через него, посредством двух датчиков давления, расположенных в экстремальных точках обдува газовой струи внутри полости 32. Эти датчики давления подключены к известным устройствам, способным измерять частоту колебаний струи. Предварительная настройка дает возможность связать частоту с потоком.

Для измерения частоты колебаний струи можно также использовать тепловые и ультразвуковые датчики.

Эти датчики можно также размещать между отверстием входа 22 и препятствием 28 на верхней стенке (не показана на фиг. 4), которая образует крышку для струйного генератора, или даже на нижней стенке этого струйного генератора.

Место для этих датчиков указано пунктирными линиями, показанными на фиг. 4.

Кривые, изображенные на фиг. 5a и 5b, показывают сравнительные результаты относительной погрешности E, полученной при измерении потока газа в соответствии с числом Рейнольдса для известного струйного генератора (фиг. 5a) и предлагаемого (фиг. 5b).

На фиг. 6a, 6b и 6c представлен струйный генератор, показанный на фиг. 4, в соответствии с различными рабочими условиями, касающимися установившегося состояния, переходного и турбулентного потоков.

На каждом чертеже колебания струи представлены на одной и той же стороне, чтобы облегчить понимание этого явления.

Два основных завихрения T1 и T2 расположены по обеим сторонам струи, когда последняя совершает колебания.

Следовательно, сравнение этих трех чертежей показывает, что с увеличением числа Рейнольдса радиальная протяженность основного завихрения T1, локализованного между передней поверхностью 34 и поверхностью 26c, увеличивается.

Учитывая тот факт, что частота колебаний струи пропорциональна отношению скорости вращения завихрения к его радиальной протяженности, эта протяженность увеличивается, а максимальная скорость струи уменьшается с увеличением числа Рейнольдса, в результате чего частота получается постоянной.

Генератор предназначен для измерения потока газа. Генератор симметричен относительно продольной плоскости симметрии, содержит вход для впуска текучей среды, предназначенной для образования двухмерной струи текучей среды, которая совершает колебания в поперечном направлении относительно плоскости симметрии, препятствие, в котором расположена полость, которая обращена к указанному входу для впуска текучей среды и омывается колеблющейся струей. Препятствие имеет переднюю стенку с передними поверхностями, по существу, плоскими и ограничивающими полость, причем плоскость каждой поверхности приблизительно перпендикулярна плоскости симметрии. Полость определена поверхностью, которая приблизительно параллельна плоскости симметрии в точках, где эта поверхность соединяется с каждой из передних поверхностей, при этом препятствие имеет две боковые стенки, поверхности которых, по существу, параллельны плоскости симметрии в точках, где каждая из них соединяется с соответствующей передней поверхностью. Генератор имеет улучшенную линейность. 12 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Струйный генератор (20), который симметричен относительно продольной плоскости (Р) симметрии, включающий в себя вход (22) для впуска текучей среды, предназначенной для образования двухмерной струи текучей среды, совершающей колебания в поперечном направлении относительно плоскости (Р) симметрии, препятствие (28), в котором выполнена полость (32), расположенная напротив указанного входа (22) для впуска текучей среды, смываемой колебляющейся струей, отличающийся тем, что препятствие (28) имеет переднюю стену (30), включающую в себя две, по существу, плоские передние поверхности (34,36), ограничивающие полость (32), причем плоскость каждой поверхности приблизительно перпендикулярна плоскости (Р) симметрии, указанная полость (32) определена поверхностью, приблизительно параллельной указанной плоскости (Р) в точках (А1, А2), где указанная поверхность соединяется с каждой из указанных передних поверхностей (34,36), а препятствие (28) имеет две боковые стенки (38,40), поверхности которых приблизительно параллельны плоскости (Р) симметрии в точках (В1, В2), где каждая из них соединяется с соответствующей передней поверхностью. 2. Струйный генератор по п.1, отличающийся тем, что полость (32) профилирована с обеспечением возможности направления струи текучей среды в указанную полость и предотвращения возникновения явления рециркуляции внутри указанной полости. 3. Струйный генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что поверхность полости (32) имеет профиль полуокружности в плоскости колебаний струи текучей среды. 4. Струйный генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что поверхность полости (32) имеет приблизительно параболический профиль в плоскости колебаний струи текучей среды. 5. Струйный генератор по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что включает в себя колебательную камеру (26), связанную со входом (22) для впуска текучей среды и содержащую препятствие (28), причем камера (26) имеет стенки (26с, 26d), расположенные напротив передних поверхностей препятствия по обе стороны от входа (22) для впуска текучей среды и приблизительно параллельные указанным передним поверхностям. 6. Струйный генератор по п.1, отличающийся тем, что боковые поверхности (38,40) препятствия (28), по существу, параллельны плоскости (Р) симметрии. 7. Струйный генератор по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что препятствие (28) имеет заднюю стенку (42), ограниченную задней поверхностью, приблизительно перпендикулярной плоскости (Р) симметрии. 8. Струйный генератор по п.5, отличающийся тем, что препятствие (28) занимает основную часть колебательной камеры (26). 9. Струйный генератор по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что участок полости (32), наиболее удаленный от входа (22) для впуска текучей среды, расположен от него на расстоянии, составляющем от 4 до 8 d, где d - поперечный размер отверстия входа (22). 10. Струйный генератор по одному из пп.1 - 9, отличающийся тем, что поперечный размер полости (32) составляет от 2,5 до 6,5 d, где d - поперечный размер отверстия входа (22) для впуска текучей среды. 11. Струйный генератор по одному из пп.1 - 10, отличающийся тем, что передние поверхности (34,36) препятствия расположены на расстоянии от входа (22) для впуска текучей среды, имеющего поперечный размер d, составляющий от 2,25 до 6,25 d, где d - размер отверстия входа (22). 12. Струйный генератор по одному из пп.1 - 11, отличающийся тем, что продольный размер между участком полости (32), наиболее удаленным от входа (22) для впуска текучей среды, и задней стенкой (42) препятствия составляет от 0,05 до 2 d, где d - поперечный размер отверстия входа (22) для впуска текучей среды. 13. Струйный генератор по одному из пп.1 - 10, отличающийся тем, что передние поверхности (34,36) имеют поперечный размер, составляющий от 0,25 до 5 d, где d - поперечный размер отверстия входа (22) для впуска текучей среды.