[发明专利]超声速自由旋涡纳米粒子分离装置

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，Xd=1+γ-12(Md)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：