[发明专利]一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于对由悬浮颗粒和气体介质组成的混合流体进行分离的装置技术领域，具体涉及一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置及其方法。

背景技术

对悬浮颗粒和气体介质组成混合流体的重新分离技术研发，能够促进实现混合流体中悬浮颗粒在特定区域聚集的技术发展。日常扫除街道分散垃圾时，整片清扫地面分散碎屑集中到少许几个离散小堆，方便集中清理碎屑小堆。借鉴碎屑从大片地面分散到局部小堆聚集的处理方式，操纵混合流体中的大量悬浮颗粒聚集在特定区域有利于空气中悬浮颗粒的集中清除。

基于波在特定介质中可以远距离传播的宏观与微观能量传递特性，相同的声波能够在大尺寸有限空间内激发可用声场分布表达的声学能量场。在声学能量场的作用下，空间内混合流体中的悬浮颗粒能够向特定若干离散的空间区域运动并聚集。

专利CN105032110提出一种二维声场迁移悬浮颗粒物的方法及装置。该方法采用正多边形腔耦合各边上具有的Helmholtz声源，在全部Helmholtz声源辐射声波的同时激励下实现悬浮颗粒物在二维声场中的迁移聚集。该技术方案中，正多边形的边数与Helmholtz声源的个数一致，当多边形的边数过多时，Helmholtz声源的数量随之增加，装置复杂度增加。此外，未考虑正多边形的边壁面对增加悬浮颗粒清除区域面积的突出操纵效果。

数学上，在圆线上增加多个等分点后，圆可等效为由离散的等分点和两点差分线段连接成的多边形。基于此，圆柱腔可等效为多边形柱腔。考虑到圆上光滑的弧线离散差分为非光滑连接的多条线段，柱腔侧壁面是离散差分壁面。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置及其方法，利用离散差分壁面辅助多极声源操控悬浮颗粒的迁移和聚集。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置，包括正多边形腔和对称设于其上的Helmholtz声源，

所述正多边形腔内部的边壁面由有声源边壁面和无声源边壁面组成，任意相邻的两个有声源边壁面之间间隔相同数量的无声源边壁面；

所述边壁面的中心开设有通孔，穿过对称的两个所述有声源边壁面；

在所述有声源边壁面上设有所述Helmholtz声源，所述Helmholtz声源与信号发生器连接。

进一步的，所述正多边形腔为由上下两个盖板和所述边壁面组成的半封闭腔体，高度小于所述Helmholtz声源的声波的半波长，以正多边形腔的中心为对称点的两个对边之间的距离不小于四分之一波长；所述正多边形腔的边数为大于的偶数。

进一步的，所述Helmholtz声源为由扬声器、空腔和所述通孔组成的半封闭空腔；所述Helmholtz声源对应的所述有声源边壁面所在的腔体上设置有所述扬声器，两者之间形成所述空腔；

所述通孔的横截面面积小于所述空腔的横截面面积。

进一步的，所述Helmholtz声源的扬声器与所述信号发生器连接，所述扬声器为电磁式扬声器。

进一步的，所述Helmholtz声源的数量小于所述正多边形腔的边壁面的数量，所述Helmholtz声源在所述边壁面上的位置满足在所述边壁面上任意相邻两个Helmholtz声源之间间隔的所述无声源边壁面的数量相等。

进一步的，所述信号发生器具有功率输出功能。

进一步的，所述信号发生器的工作频率、Helmholtz声源的共振频率、正多边形腔的共振频率三种频率相等。

进一步的，混合流体位于所述正多边形腔内，所述混合流体由悬浮颗粒和气体介质均匀混合而成；所述悬浮颗粒的等效粒径不大于10μm。

一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的方法，包括以下步骤：

1)信号发生器产生频率信号，驱动Helmholtz声源从通孔向正多边形腔内辐射相同声波；

2)通过所述边壁面的回音效应，经离散差分壁面对声波的多次反射，使多束反射波和入射波相互交织并重新组合，在正多边形腔的有限空间内构成特定的复合声场，使混合流体中的悬浮颗粒在腔内聚散分布；

3)悬浮颗粒聚集在了具有圆弧形边界的悬浮颗粒聚集区，产生了无颗粒区。

进一步的，所述步骤3中，在无颗粒区与无声源边壁面的相接区域，形成长线边界的与边壁面平行的无颗粒区的近壁边界；