一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置

摘要

本发明公开了一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置，由振动分散组件、负压进料组件、气固二相混合腔体、进出气管组成，振动分散组件位于负压进料组件上部，负压进料组件固定在气固二相混合腔体上方，仿生紊流器固定于气固二相混合腔体内部，气固二相混合腔体一端通过进气管可与空气压缩泵连接，另一端与出气管相连。超细粉体通过振动分散组件后落入负压进料组件，在压强作用下进入气固二相混合腔体，经气流冲散均匀稳定分布于气体中，形成悬浮颗粒物，再经过仿生紊流器梳理，最后由出气管喷出。本发明结构简单、应用性强、颗粒物性质稳定，可发生均匀稳定的含颗粒物气流，适用于模拟研究大气雾霾环境。

说明书

技术领域

本发明属于大气环境污染问题研究技术领域，涉及一种颗粒物发生装置，尤其涉及一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置。

背景技术

随着我国工业水平发展，环境污染问题日益严重。目前，对居民生活及工作造成极大困扰的环境问题之一即雾霾污染。由于大量汽车尾气排放、燃煤及工业粉尘排出，大量细小粉体进入大气中并长期悬浮，称为颗粒物，悬浮在大气中的颗粒物与空气中的水汽结合，降低当地能见度，产生雾霾现象。越来越多的研究报道，悬浮在空气中的细颗粒物能够被直接吸入人体肺部，对人类健康造成很大危害，对颗粒物的试验研究也越来越受到重视。

樟子松作为典型的针叶植物，具有枝叶密集、比表面积大等特点，其针叶簇能够有效调节梳理气流，对流场起到再分布的作用，提高流场的紊流程度及扩散强度。学习樟子松调节气流的结构特征，可以作为研发仿生颗粒物发生装置的重要方法。

在针对颗粒物的室内研究设备中，多涉及到颗粒物的性质及浓度检测等方面，而有关其生成与发生的研究装置，特别是仿生颗粒物发生装置仍然非常少。现有颗粒物发生装置目前仍存在以下问题：

1、多数颗粒物发生装置通过化学方式产生颗粒物，机构复杂，成本高，颗粒物源单一；

2、室内发生装置大多分散程度不够，难以产生在空气中均一稳定悬浮的颗粒物。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置，能够均一稳定发生颗粒物，且通用性好、结构简单。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置，该装置由振动分散组件1、负压进料组件2、气固二相混合腔体3、进/出气管4组成；

所述振动分散组件1由高频振动器12连接一个振动筛11组成，所述负压进料组件2由载料斗10和进料毛细管7组成，所述振动筛11位于载料斗10的内侧上方，所述载料斗10的外侧下方与气固二相混合腔体3安装连接，所述气固二相混合腔体3内部设有变径管8，仿生紊流器6同轴固定安装在变径管8的气流出口端，进/出气管4通过气动接头5分别安装在气固二相混合腔体3两侧，形成进/出气路，进气管4可与空气压缩泵相连接；

一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置，其中，所述气固二相混合腔体3为长方体，其顶面加工有与载料斗10下端螺纹结构(14)相连接的螺孔15，所述气固二相混合腔体3内部设有变径管8，在螺孔15的中心下方的变径管8上开有通孔9，其孔径为1.5mm～1.8mm。

一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置，其中，所述仿生紊流器6是由外壁、中心柱体18与双层交错分布在外壁和中心柱体18之间的导流针叶19组成的一体式结构，仿生紊流器6外壁与变径管8内壁为过盈配合，且仿生紊流器6外端截面与变径管8的管径扩大起始截面处于同一平面；所述导流针叶19由圆形截面沿EF曲线扫掠而成，所述导流针叶19在中心柱体18上的分布为：两根导流针叶19为一组，中心柱体的前后两个不同平面上各自平均分布着3组；

所述EF曲线是由对樟子松针叶轮廓进行提取并拟合所得到的二次多项式曲线：

fx＝a₂x²+a₁x+a₀；

其中：a₂的取值范围为0.04～0.05，a₁的取值范围为-1.2～-1.10，a₀的取值范围为1.3～1.5，x的取值范围为0mm～14mm。

一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置，其中，所述进料毛细管7同轴设置于载料斗10的内侧底部，所述进料毛细管7由毛细管支架16和毛细管支架16的毛细管体17组成，毛细管体的内径为0.4mm～0.8mm，外径为1.2mm～1.5mm，所述毛细管支架16为十字星形，支撑于载料斗10的内壁，所述毛细管支架16与毛细管体17的轴向夹角为62°～65°，所述毛细管体17穿过变径管8上的通孔9，插入变径管8内。

一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置，其中，所述载料斗10上部为圆筒形，下部为圆锥筒形，载料斗的锥底角度范围为25°～28°，可减少超细粉体在载料斗内的堆积，锥底孔径为2mm，在所述载料斗10的侧壁上开有限位孔13，振动筛11的筛柄穿过限位孔13，与载料斗10外侧的高频振动器12连接，载料斗10外沿下方的外壁上加工有螺纹结构14。

一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置，其中，所述振动筛11的筛面外沿与载料斗10的内壁之间存有间隙，以便于振动筛11水平方向振动，所述振动筛11的筛面上可放置若干0Cr18Ni9不锈钢制成的直径为3mm～9mm的实心球体作为振子，随振动而滚动碰撞，辅助将超细粉体分散，利于颗粒物的形成。

本发明的有益效果在于：

利用樟子松的生态结构原理，借助仿生学研究基础，着眼于对颗粒物发生装置的设计，通过将樟子松针叶结构特征应用到仿生紊流器设计，增加颗粒物的扩散强度，通过与振动分散组件共同作用达到有效发生颗粒物的效果。本发明的导流针叶曲线EF提取自樟子松针叶簇结构，使经过的层流气流被破碎，并且导致变径管内该处的雷诺系数增大，有效改善流场分布，增加气流的紊流强度，发生的颗粒物均一稳定的悬浮在气体中。本发明结构简单、成本低廉、应用性强、发生的颗粒物性质稳定，根据实际情况，可利用气泵流量调节颗粒物发生效率。

附图说明

图1为本发明一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置的外部结构示意图；

图2为本发明一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置的内部结构示意图；

图3为图2中B处的局部放大图；

图4为图2中C处的局部放大图；

图5为本发明中振动分散组件和负压进料组件的安装结构示意图；

图6为本发明中振动分散组件结构示意图；

图7为本发明中载料斗的内部结构示意图；

图8为本发明中气固二相混合腔体的外部结构示意图；

图9为本发明中气固二相混合腔体的内部结构示意图；

图10为本发明中进料毛细管的外部结构示意图；

图11为本发明中进料毛细管的内部结构示意图；

图12为本发明中仿生紊流器的立体结构示意图；

图13为本发明中仿生紊流器的端面示意图；

图14为图13中D-D剖视图。

图中：

1、振动分散组件；2、负压进料组件；3、气固二相混合腔体；4、进/出气管；

5、气动接头；6、仿生紊流器；7、进料毛细管；8、变径管；

9、通孔；10、载料斗； 11、振动筛； 12、高频振动器；

13、限位孔； 14、螺纹结构； 15、螺孔； 16、毛细管支架；

17、毛细管体； 18、中心柱体； 19、导流针叶。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

如图1和图2所示，本发明公开了一种仿樟子松结构的颗粒物发生装置，该装置由振动分散组件1、负压进料组件2、气固二相混合腔体3、仿生紊流器6、进/出气管4以及空气压缩泵(图中未显示)组成。

所述振动分散组件1由高频振动器12连接一个振动筛11组成。所述负压进料组件2的外壳为载料斗10，所述载料斗10上部为圆筒形，下部为圆锥筒形。所述振动筛11的筛面平置于载料斗10内部圆筒与圆锥筒交界处，所述振动筛11的筛面外沿与载料斗10的内壁之间存有间隙，以便于筛面水平方向振动。振动筛11的筛柄穿过载料斗10侧壁的限位孔13，与载料斗10外侧的高频振动器12连接。

如图6所示，所述振动筛11的筛面为圆形网状，筛孔尺寸为100目，筛面由304号钢钢丝制成，水平方向振动幅为1.0mm，振动频率范围为0～180Hz；在其筛面上可放置若干304号钢制成的直径为3mm～9mm的实心球体作为振子，随振动而滚动碰撞，辅助将超细粉体分散，有利于超细粉体落入载料斗10内。

所述载料斗10由镀铝锌钢板(7.86g/cm³)材料制成，其上的限位孔13长10mm，高8mm，载料斗10壁厚为3mm，其下部圆锥筒的角度为25°，圆锥筒底部孔径为2mm。

如图5和图7所示，所述载料斗10外侧下方带有外沿，载料斗10外沿下方的外壁上加工有螺纹结构14，所述气固二相混合腔体3上表面加工有螺孔15，载料斗10的外沿支撑在气固二相混合腔体3的上表面上，载料斗10外沿下端的螺纹结构14与气固二相混合腔体3上表面的螺孔15螺纹连接。

如图8和图9所示，所述气固二相混合腔体3为长方体，是由3D打印技术成型的一体化腔体，由聚碳酸酯(即PC，1.2g/cm³)材料制成，所述螺孔15位于距离气流入口截面50mm处，气固二相混合腔体3内部设有变径管8，所述变径管8沿气流方向距离气流入口截面20mm处开始缩径，缩径段长10mm，管径由16mm缩小为8mm，并在螺孔15的中心下方的变径管8上开有通孔9，孔径为1.5mm，在距离气流出口截面30mm处管径扩大，扩径段长10mm，管径由16mm扩大为16mm。

如图2所示，所述负压进料组件2除载料斗10外，还包括同轴置于载料斗10内部的进料毛细管7，所述进料毛细管7位于载料斗10的底部。如图10和图11所示，所述进料毛细管7是由毛细管支架16和垂直于毛细管支架16的毛细管体17组成的一体式结构。毛细管支架16为十字星形，支撑于载料斗10的内壁，如图4所示，所述毛细管体17穿过变径管8上的通孔9，插入变径管8内，即毛细管体17与变径管8内部相互联通。所述毛细管体17的内径为0.8mm，外径为1.4mm，其与毛细管支架16间竖直方向上的夹角α为65°。

如图2和图3所示，所述仿生紊流器6位于气固二相混合腔体3的气流出口一侧，固定安装在变径管8中。仿生紊流器6外壁与变径管8内壁为过盈配合，仿生紊流器6外端截面与变径管8的管径扩大起始截面处于同一平面。

如图12和图13所示，所述仿生紊流器6是由圆筒形的外壁、中心柱体18以及以中心柱体18为轴，双层交错分布连接在外壁与中心柱体之间的导流针叶19组成的一体式结构。如图4所示，所述导流针叶19由直径为0.5mm的圆形截面沿图中点E至点F形成的EF曲线扫掠而成，两根夹角为β的导流针叶19为一组，中心柱体的前后两个不同平面上各自平均分布着三组，其夹角为γ，其中β的取值为14°，γ的取值为58°

所述EF曲线是由对樟子松针叶轮廓进行提取并拟合所得到的二次多项式曲线：

f(x)＝a₂x²+a₁x+a₀；

a₂的取值范围为0.04～0.05，a₁的取值范围为-1.2～-1.10，a₀的取值范围为1.3～1.5，x的取值范围为0mm～14mm。在本实施例中：a₂取值0.04，a₁取值-1.10，a₀取值1.4。

如图2和图8所示，所述气固二相混合腔体3除上平面加工有螺孔15外，其两侧面还分别加工一个安装孔。所述进/出气管4通过气动接头5与气固二相混合腔体3的两侧面相连接，与气固二相混合腔体3内腔形成进/出气路。

空气压缩泵(图中未显示)通过进/出气管4，将一定流速的气体经气流入口注入气固二相混合腔体3中。

本发明的工作原理和工作过程如下：

固定本装置于指定试验台，气流在空气压缩泵的作用下，以一定流量通过进气管路进入气固二相混合腔体内的变径管，从变径管入口进入缩径段后，流速增加，管内气流相应压强降低，而随着气流进入变径管末端，管径逐渐扩大，其压强升高，故此在螺孔中心下方对应的通孔处形成相对负压，同时进料毛细管的管体穿过通孔插入变径管内，在进料毛细管入口处由于存在相对负压，产生一定吸力；超细粉体被添加在高频振动筛的圆形筛网上，大小不同的振子在振动筛上产生碰撞，形成竖直方向的振动，超细粉体被充分分散后落入载料斗，收到重力及进料毛细管处的吸力作用，进入到气固二相混合腔体内的变径管内，被分散后的超细粉体收到气流冲击，悬浮于气流中形成颗粒物；携带悬浮颗粒物的气流流经仿生紊流器时，导流针叶有效改善流场分布，使气流的紊流强度增加，提高颗粒物的扩散强度，从而促进颗粒物在气流中稳定悬浮；含有均一稳定颗粒物的气固二相气流经过出气管，最后被发散到指定目标地点。