超声速自由旋涡纳米粒子分离装置

摘要

本发明提供了一种超声速自由旋涡纳米粒子分离装置，用于分离微米粒子、亚微米粒子和纳米粒子，包括将粒子加速至超声速的粒子流道、引入高压气体和固体混合物进入粒子流道的入口、安装在粒子流道壁面的大粒子出口及设置在粒子流道下游的纳米粒子出口；其中，粒子流道包括具有自由旋涡喷管结构的喷管前段以及与喷管前段相接的保持粒子流场自由旋涡参数分布的喷管后段。根据本发明的超声速自由旋涡纳米粒子分离装置，其粒子流道包括具有自由旋涡喷管机构的喷管前段，具有自由旋涡喷管结构的喷管前段，使得从入口进入的粒子能够在粒子流道内达到超声速，从而获得足够大的离心力；实现微米粒子或亚微米粒子与纳米粒子的分离。

说明书

技术领域

本发明涉及空气动力设计领域，特别地，涉及一种超声速自由旋涡纳米粒子分离装置。

背景技术

在超声速流场中撒播纳米粒子，跟随流动并显示相应的流场结构具有十分重要的应用背 景，目前已经成为一种重要的流动显示技术。

纳米粒子是指晶粒尺寸为纳米量级的超细颗粒，它具有其它微米尺寸量级粒子所没有的 奇异特性，如声、光、电、磁、热等特性呈现新的小尺寸效应，这些效应为各种实验技术提 供了新的测量途径，在生物、医药、航空、航天、汽车和其它流体力学相关的领域具有广阔 的应用背景。但纳米粒子的小尺寸效应导致的团聚效应使得工业制备的纳米粒子颗粒尺寸分 布过于分散，团聚之后的大粒子会削弱其声、光、电、磁、热、力等特性。

对于超声速流动显示来说，示踪物的尺寸越大，越难跟随超声速流场，尤其是其中的激 波和旋涡结构。激波前后流动速度是突变的，其厚度与分子自由程的量级相当，若要捕捉相 应的流场结构，示踪物必须在尽可能短的距离内跟随流体一起运动，但团聚效应导致的大粒 子惯性较大，穿越激波之后需要很长一段距离才会再次跟随当地流体的运动，这一特征会严 重抹平激波结构，这对于实际的应用是十分不利的。

因此，设计一种能够分离纳米粒子的装置非常必要。由于纳米粒子和亚微米粒子质量都 很小，一般的粒子分离装置难以提供足够的离心力将亚微米粒子与纳米粒子分离开。

发明内容

本发明目的在于提供一种能提供足够大的离心力将亚微米粒子与纳米粒子分离开的超声 速自由旋涡纳米粒子分离装置。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种超声速自由旋涡纳米粒子分离装 置，用于分离微米粒子、亚微米粒子和纳米粒子，包括将粒子加速至超声速的粒子流道、引 入高压气体和固体混合物进入粒子流道的入口、安装在粒子流道壁面的大粒子出口及设置在 粒子流道下游的纳米粒子出口；其中，

粒子流道包括具有自由旋涡喷管结构的喷管前段以及与喷管前段相接的保持粒子流场自 由旋涡参数分布的喷管后段。

进一步地，喷管前段包括连接入口的亚声速收缩段、连接在亚声速收缩段下游的喷管对 称段及连接在喷管对称段下游的喷管非对称段；

喷管非对称段包括与喷管对称段相接的均匀流区、与喷管后段相接且使粒子呈自由旋涡 流动的非简单波区及设置在均匀流区和非简单波区之间的简单波区。

进一步地，非简单波区的外周壁的第一壁面型线为以粒子流道的旋涡中心为中心的圆弧 段，满足以下关系式：

其中，ρ_粒为粒子密度，v_粒为粒子的运动速度，d为粒子直径，r为粒子的旋转半径， p₁为粒子内侧所受的气体压力，p₂为粒子外侧所受的气体压力，γ为气体比热比，T₀为 气体静止时的温度，R为气体常数，r_d为非简单波区的出口内径，M_d为非简单波区的 出口内径处的气体马赫数，p为气体运动时垂直于运动方向的压力，P₀为气体由运动减 速到滞止状态时的压力，y为粒子以旋涡中心为圆点在径向方向的距离， $X_d=1+\frac{\gamma -1}{2}{\left(M_d\right)}^2.$

进一步地，简单波区和非简单波区的分界线为右行马赫线，满足关系式：

$\theta =f\left(M_d\right)-\sqrt{\frac{\gamma +1}{\gamma -1}}{\mathrm{tg}}^{-1}\sqrt{\frac{\gamma -1}{\gamma +1}\left[\frac{r_0(\gamma +1)-{2r}^2}{{2r}^2-{r_0}^2(\gamma -1)}\right]}-{\mathrm{tg}}^{-1}\sqrt{\left[\frac{{r_0}^2(\gamma +1)-{2r}^2}{{2r}^2-{r_0}^2(\gamma -1)}\right]};$

其中，θ是右行马赫线上任一点与竖直方向的夹角，r₀为等效半径，即是普朗特-迈耶函数。

进一步地，简单波区的内周壁的第二壁面型线的形状满足

其中，r_p为右行马赫线上的任一点P的位置矢量，ρ_气为气体的密度，v_气为气体的速 度，为气体在点P上的密度，为气体在点P上的速度，l为P点到第二壁面型线bd上 任一点Q的长度，μ速度矢量与马赫线之间的夹角。

进一步地，均匀流区外壁的壁面型线为直线。

进一步地，亚声速收缩段为具有朝下游方向收缩的内腔结构。

进一步地，喷管对称段为朝下游方向扩张的内腔结构；喷管对称段为对称的短化喷管。

进一步地，喷管后段呈螺旋线型面，喷管后段的旋转中心为粒子流道的旋涡中心。

进一步地，粒子流道采用螺旋形自由旋涡喷管型面。

本发明具有以下有益效果：

根据本发明的超声速自由旋涡纳米粒子分离装置，其粒子流道包括具有自由旋涡喷管机 构的喷管前段，具有自由旋涡喷管结构的喷管前段，使得从入口进入的粒子能够在粒子流道 内达到超声速，从而获得足够大的离心力；微米粒子或亚微米粒子由于质量较大，其离心力 大于纳米粒子的离心力，使得微米粒子或亚微米粒子率先从大粒子出口喷出，纳米粒子随后 在纳米粒子出口喷出，从而实现微米粒子、亚微米粒子与纳米粒子的分离。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面 将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及 其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的超声速自由旋涡纳米粒子分离装置的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的超声速自由旋涡纳米粒子分离装置的外形结构示意图；以及

图3是本发明优选实施例的超声速自由旋涡纳米粒子分离装置的粒子流道的型面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖 的多种不同方式实施。

参见图1至图3，本发明的优选实施例提供了一种超声速自由旋涡纳米粒子分离装置，用 于分离微米粒子、亚微米粒子和纳米粒子，包括将粒子加速至超声速的粒子流道10、引入高 压气体和固体混合物进入粒子流道10的入口20、安装在粒子流道10壁面的大粒子出口30及 设置在粒子流道10下游的纳米粒子出口40；其中，粒子流道10包括具有自由旋涡喷管结构 的喷管前段11与喷管前段11相接的保持粒子流场自由旋涡参数分布的喷管后段12。本发明 的超声速自由旋涡纳米粒子分离装置，粒子流道10包括具有自由旋涡喷管结构的喷管前段11， 使得从入口20进入的粒子能够在粒子流道10内达到超声速，从而获得足够大的离心力；微 米粒子或亚微米粒子由于质量较大，其离心力大于纳米粒子的离心力，使得微米粒子或亚微 米粒子率先从大粒子出口30喷出，纳米粒子随后在纳米粒子出口40喷出，从而实现微米粒 子、亚微米粒子与纳米粒子的分离。

粒子流道10采用螺旋形自由旋涡喷管型面，以为在粒子流道10运动的粒子提供足够大 的内部流场，使得粒子的速度从入口20到出口的速度实现超声速，从而获得足够大的离心力， 使得粒子分离。

参见图3，喷管后段12呈螺旋线型面，喷管后段12的旋转中心为粒子流道10的旋涡中 心，为粒子流场自由旋涡参数分布提供环境；喷管后段12的内壁面和外壁面的半径由喷管前 段11决定。

喷管前段11的壁面形状是根据出口de的出口参数来设计的，也就说先根据粒子在喷管后 段12实现自由旋涡分布以及实现粒子分离所需要的参数，来确定喷管前段11的壁面线形状。

喷管前段11包括连接入口20的亚声速收缩段112、连接在亚声速收缩段112下游的喷管 对称段114及连接在喷管对称段114下游的喷管非对称段116。

亚声速收缩段112为收缩管道，具有朝下游方向收缩的内腔结构，以加快从入口20进入 到亚声速收缩段112的气流及粒子的速度。

喷管对称段114为朝下游方向扩张的内腔结构，其为对称结构。优选地，喷管对称段114 采用对称的短化喷管，以获得所需的均匀流场，并最大限度的减小喷管长度，从而降低成本 同时保证喷管边界层为层流边界层以确保较高的流场品质。

喷管非对称段116包括与喷管对称段114相接的均匀流区116a、与喷管后段12相接且使 粒子呈自由旋涡流动的非简单波区116c及设置在均匀流区116a和非简单波区116c之间的简 单波区116b。喷管非对称段116还包括直马赫线ab、马赫线bc和右行马赫线cd。均匀流区 116a和简单波区116b的分界线为直马赫线ab，简单波区116b和非简单波区116c的分界线为 右行马赫线cd。喷管非对称段116上游的马赫数和粒子流动方向与喷管对称段114的出口马 赫数和粒子流动方向一致。

具体地，非简单波区116c与喷管后段12的分界为出口马赫线de，非简单波区116c的外 周壁的第一壁面型线ce满足以下关系式：

其中，ρ_粒为粒子密度，v_粒为粒子的运动速度，d为粒子直径，r为粒子的旋转半径， p₁为粒子内侧所受的气体压力，p₂为粒子外侧所受的气体压力，γ为气体比热比，T₀为 气体静止时的温度，R为气体常数，r_d为非简单波区116c的出口内径，M_d为非简单波 区116c的出口内径处的气体马赫数，p为气体运动时垂直于运动方向的压力，P₀为气体 由运动减速到滞止状态时的压力，y为粒子以旋涡中心为圆点在径向方向的距离， $X_d=1+\frac{\gamma -1}{2}{\left(M_d\right)}^2.$

其中，上述的由

得出，

其中，F_离为粒子所受的离心力，F_向为粒子所受的向心力，m_粒为粒子质量，ΔP为粒子内 侧端和外侧所受的气体压力差；

上述的式由

得出，

其中，a为当地的音速；T为气体运动时的温度；

上述的$p=\frac{P_0}{{\{1+\frac{\gamma -1}{2}{[-\frac{\gamma -1}{2}+{(1+\frac{r-r_d}{r_d})}^2\frac{X_d}{{\left(M_d\right)}^2}]}^{-1}\}}^{\frac{y}{y-1}}}$式由

$\left(\begin{array}{c}\frac{P}{P_0}=\frac{1}{X^{\frac{y}{y-1}}}\\ X=1+\frac{\gamma -1}{2}{M}^2\\ M\left(y\right)={[-\frac{\gamma -1}{2}+{(1+\frac{y}{r_a})}^2\frac{X}{{\left(M_d\right)}^2}]}^{-\frac{1}{2}}\\ y=r-r_d\end{array}\right)$得出。

根据上述的关系式，可以得到粒子的旋转半径r与粒子直径d的关系；根据粒子流道10 内通入粒子的直径d，就可以算出粒子的旋转半径r，非简单波区116c外周壁的第一壁面型线 ce为粒子旋转半径r的最大值，从而可以确定该第一壁面型线ce的形状。该第一壁面型线ce 为以粒子流道10的旋涡中心为中心的圆弧段。

具体地，简单波区116b与非简单波区116c之间的分界线为右行马赫线cd，右行马赫线 cd满足关系式：$\theta =f\left(M_d\right)-\sqrt{\frac{\gamma +1}{\gamma -1}}{\mathrm{tg}}^{-1}\sqrt{\frac{\gamma -1}{\gamma +1}\left[\frac{r_0(\gamma +1)-{2r}^2}{{2r}^2-{r_0}^2(\gamma -1)}\right]}-{\mathrm{tg}}^{-1}\sqrt{\left[\frac{{r_0}^2(\gamma +1)-{2r}^2}{{2r}^2-{r_0}^2(\gamma -1)}\right]},$上述

关系式由$\left(\begin{array}{c}\theta =f\left(M_d\right)-f\left(M\right)\\ M=1+\frac{\frac{\gamma +1}{2}-{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^2}{{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^2-\frac{\gamma -1}{2}}\\ f\left(M\right)=\sqrt{\frac{\gamma +1}{\gamma -1}}{\mathrm{tg}}^{-1}\sqrt{\frac{\gamma -1}{\gamma +1}(M^2-1)}-{\mathrm{tg}}^{-1}\sqrt{(M^2-1)}\\ r=r_0\frac{X^{\frac{1}{2}}}{M}\\ X=1+\frac{\gamma -1}{2}{M}^2\end{array}\right)$得出；

其中，θ是右行马赫线cd上任一点与竖直方向的夹角，M为气体马赫数，r₀为等效半 径，即f是普朗特-迈耶函数。

简单波区116b的内周壁的第二壁面型线bd的形状满足关系式

其中，r_p为右行马赫线cd上的任一点P的位置矢量，ρ_气为气体的密度，v_气为气体的 速度，为气体在点P上的密度，为气体在点P上的速度，l为P点到第二壁面型线 bd上任一点Q的长度，μ速度矢量与马赫线之间的夹角，μ可根据《气体动力学》童秉纲著， 高等教育出版社，1996年5月第2版，P212得出。

具体地，由上述可知，右行马赫线cd为直线，P为右行马赫线cd上的任一点，Q为壁 第二壁面型线bd上的任意一点，马赫线PQ位于简单波区116b上，马赫线为直线。马赫线 PQ的长度为l,根据质量守恒，通过马赫线PQ的质量流量与通过马赫线Pd的质量流量相等； 即

根据易仕和等于2005年国防科学技术大学出版社出版的专著《超声速自由旋涡气动窗 口及其光学质量》，可求解出上述关系式，从而确定第二壁面型线bd的形状。

同时，根据2007年12月在空气动力学学报上发表的《超声速短化喷管的设计与实验研 究》，均匀流区116a与简单波区116b的分界线为马赫线bc，马赫线bc为直线，均匀流区116a 外壁的第三壁面型线ac为直线。均匀流区116a由对称喷管组成。

根据上面的描述，即可确定喷管非对称段116的型面，喷管非对称段116的型面可使得 粒子流道的参数分布呈超声速自由旋涡分布，从而使进入粒子流道10能够产生粒子分离所需 的流场，使得粒子速度能够达到超声速，从而获得足够大的离心力。

本发明的超声速自由旋涡纳米粒子分离装置的工作过程为：具有一定的压力的粒子从入 口20进入到亚声速收缩段112，经亚声速收缩段112加压后进入喷管对称段114，经喷管对称 段114获得所需的均匀流场后进入喷管非对称段116，喷管非对称段116使得粒子速度能够达 到超声速获得足够大的离心力；喷管后段12为粒子流场自由旋涡参数分布提供环境；微米粒 子或亚微米粒子由于质量较大，其离心力大于纳米粒子的离心力，使得微米粒子或亚微米粒 子率先从大粒子出口30喷出，纳米粒子随后在纳米粒子出口40喷出，从而实现或亚微米粒 子与纳米粒子的分离。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

根据本发明的超声速自由旋涡纳米粒子分离装置，其粒子流道包括具有自由旋涡喷管机 构的喷管前段，具有自由旋涡喷管结构的喷管前段，使得从入口进入的粒子能够在粒子流道 内达到超声速，从而获得足够大的离心力；微米粒子或亚微米粒子由于质量较大，其离心力 大于纳米粒子的离心力，使得微米粒子或亚微米粒子率先从大粒子出口喷出，纳米粒子随后 在纳米粒子出口喷出，从而实现微米粒子、亚微米粒子与纳米粒子的分离。

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。