本發(fā)明屬于氣液兩相流分離，更具體地，涉及一種噴管帶有內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的超音速旋流冷凝分離裝置。

背景技術(shù)：

1、超音速旋流分離技術(shù)相比常規(guī)的分離技術(shù)，如重力分離、慣性分離和膜分離等技術(shù)相比，具有裝置緊湊性好、結(jié)構(gòu)簡單和含濕組份脫除深度高等優(yōu)點(diǎn)，自該技術(shù)原理提出以來受到國內(nèi)外眾多研究單位和學(xué)者的關(guān)注，是一種非常有應(yīng)用前景的新型氣液兩相分離技術(shù)。

2、相比于常規(guī)氣液兩相流分離技術(shù)，超音速旋流分離將相變冷凝、旋流分離、擴(kuò)壓恢復(fù)過程融為一體，使得分離裝置結(jié)構(gòu)非常緊湊。但也存在著裝置內(nèi)部流場對外在邊界條件的敏感性大、冷凝液分離段內(nèi)易出現(xiàn)激波等問題。為此，專利cn200810011258.6提出一種錐芯式超音速旋流分離裝置，將復(fù)雜的噴管內(nèi)表面型線加工變?yōu)榱酥行惧F的外表面加工，降低了噴管段的加工復(fù)雜性；專利cn201210229819.6和cn201710468051.0分別采用可動(dòng)錐芯和二次回流方案進(jìn)一步強(qiáng)化了超音速旋流裝置的工況適應(yīng)性和凝液分離能力；專利cn201610578253.6提出了一種超音速旋流分離器結(jié)構(gòu)，在超音速噴管下游構(gòu)造了二次喉道擴(kuò)壓器，采用多孔漸縮段和多孔漸擴(kuò)段來調(diào)控超音速噴管下游分離區(qū)激波位置。受超音速旋流分離原理的約束，在超音速噴管出口處要設(shè)置排液裝置，但超音速出口處流場仍處于超音速狀態(tài)，超音速噴管出口處流場邊界條件的改變會(huì)對流場產(chǎn)生干擾而出現(xiàn)激波，造成冷凝液滴的再次蒸發(fā)氣化，影響超音速旋流分離的最終效果。

3、現(xiàn)有技術(shù)中采取的措施在一定程度上穩(wěn)定了超音速旋流分離器的工作流場，但排液口處激波現(xiàn)象無法完全避免。現(xiàn)有技術(shù)中仍然存在超音速旋流分離二次蒸發(fā)和壓損過大的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對相關(guān)技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種噴管帶有內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的超音速旋流冷凝分離裝置，旨在解決超音速旋流分離二次蒸發(fā)和壓損過大的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種噴管帶有內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的超音速旋流冷凝分離裝置，包括：旋流發(fā)生段、超音速噴管段、超音速減速區(qū)段、亞音速減速擴(kuò)壓段、軸流式導(dǎo)流葉片、冷凝液收集腔和中心導(dǎo)流錐；

3、所述旋流發(fā)生段、超音速噴管段、超音速減速區(qū)段和亞音速減速擴(kuò)壓段采用同軸布置，固定連接；

4、所述旋流發(fā)生段設(shè)置在超音速噴管段的前端，所述旋流發(fā)生段內(nèi)布置與中心導(dǎo)流錐固定裝配的軸流式導(dǎo)流葉片；

5、所述超音速減速區(qū)段設(shè)置在超音速噴管段的后端，所述超音速噴管段的內(nèi)壁面沿軸線布置內(nèi)波紋，所述超音速噴管段的出口截面的內(nèi)波紋內(nèi)切內(nèi)徑與所述超音速減速區(qū)段的內(nèi)徑相等；

6、所述超音速減速區(qū)段的入口外側(cè)環(huán)繞設(shè)置所述冷凝液收集腔，所述冷凝液收集腔與超音速減速區(qū)段為同軸設(shè)置；所述冷凝液收集腔的入口處設(shè)置斜切進(jìn)口，所述超音速噴管段的出口截面的內(nèi)波紋與冷凝液收集腔的斜切進(jìn)口連通，以使所述超音速噴管段的冷凝液通過所述斜切進(jìn)口進(jìn)入所述冷凝液收集腔。

7、可選的，所述冷凝液收集腔在豎直方向上的下端部設(shè)置冷凝液排出口，用于將所述冷凝液收集腔內(nèi)的冷凝液排出。

8、可選的，所述軸流式導(dǎo)流葉片外側(cè)與旋流發(fā)生段管壁內(nèi)側(cè)相對固定安裝；

9、所述軸流式導(dǎo)流葉片的導(dǎo)流偏轉(zhuǎn)角為5°～30°。

10、可選的，所述中心導(dǎo)流錐的前端及后端均采用錐形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，所述中心導(dǎo)流錐的前端張角為20°～40°，所述中心導(dǎo)流錐的后端張角為40°～60°。

11、可選的，所述超音速噴管段包括漸縮段和漸擴(kuò)段連接而成，所述超音速噴管段內(nèi)的氣流流通截面變化方式為漸縮-漸擴(kuò)；所述內(nèi)波紋設(shè)置在所述超音速噴管段的漸擴(kuò)段內(nèi)壁面。

12、可選的，所述內(nèi)波紋為連續(xù)內(nèi)波紋或間隔分布內(nèi)波紋。

13、可選的，所述超音速噴管的漸擴(kuò)段的管壁內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)為正弦波，滿足下式(1)～(3)：

14、

15、s＝r·θ?????????????????????????????(3)

16、其中，a為內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的振蕩幅值，ω為內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的振蕩波數(shù)，為相位角，r和θ分別為超音速噴管擴(kuò)張段截面平均半徑和圓心角。

17、可選的，所述內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的振蕩幅值a的取值范圍為(1％～5％)r；

18、所述內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的振蕩波數(shù)ω的取值范圍為5％～10％。

19、可選的，所述亞音速減速擴(kuò)壓段由平直段和擴(kuò)張段構(gòu)成，所述平直段在所述冷凝液收集腔的內(nèi)部，所述擴(kuò)張段在所述冷凝液收集腔的外部。

20、可選的，所述擴(kuò)張段的半張角為5°～15°。

21、通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得以下有益效果：

22、1、本發(fā)明提供了一種噴管帶有內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的超音速旋流冷凝分離裝置，通過在超音速噴管段內(nèi)壁面設(shè)置內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)，一方面在超音速噴管段構(gòu)造冷凝液排出通道，避免超音速噴管段內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)氣流卷吸冷凝液膜，使得液膜破碎，不利于冷凝液的排出；另一方面超音速噴管段尾端的內(nèi)波紋內(nèi)徑與減速擴(kuò)壓器入口(超音速減速區(qū)段)內(nèi)徑相等，使得超音速噴管段與下游減速擴(kuò)壓段交接斷面光滑過渡，不發(fā)生顯著的流道面積的突變，最大程度降低該處邊界條件的改變對超音速流場的影響，從而起到削弱超音速旋流分離器排液口處由于幾何邊界突變導(dǎo)致的激波現(xiàn)象，解決激波導(dǎo)致的冷凝液滴的再次蒸發(fā)和氣化壓損過大的問題；提高超音速旋流分離器的可靠性與工況適應(yīng)性。

23、2、本發(fā)明提供了一種噴管帶有內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的超音速旋流冷凝分離裝置，超音速噴管段出口截面的內(nèi)波紋開口與冷凝液收集腔斜切進(jìn)口連通，冷凝液通過內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)構(gòu)造的冷凝液排出通道流出超音速噴管段，并通過切斜進(jìn)口進(jìn)入冷凝液收集腔，不影響裝置排液的同時(shí)進(jìn)一步削弱排液口激波現(xiàn)象。

技術(shù)特征：

1.一種噴管帶有內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的超音速旋流冷凝分離裝置，其特征在于，包括：旋流發(fā)生段、超音速噴管段、超音速減速區(qū)段、亞音速減速擴(kuò)壓段、軸流式導(dǎo)流葉片、冷凝液收集腔和中心導(dǎo)流錐；

2.如權(quán)利要求1所述的超音速旋流冷凝分離裝置，其特征在于，所述冷凝液收集腔在豎直方向上的下端部設(shè)置冷凝液排出口，用于將所述冷凝液收集腔內(nèi)的冷凝液排出。

3.如權(quán)利要求1所述的超音速旋流冷凝分離裝置，其特征在于，所述軸流式導(dǎo)流葉片外側(cè)與旋流發(fā)生段管壁內(nèi)側(cè)相對固定安裝；

4.如權(quán)利要求1所述的超音速旋流冷凝分離裝置，其特征在于，所述中心導(dǎo)流錐的前端及后端均采用錐形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，所述中心導(dǎo)流錐的前端張角為20°～40°，所述中心導(dǎo)流錐的后端張角為40°～60°。

5.如權(quán)利要求1所述的超音速旋流冷凝分離裝置，其特征在于，所述超音速噴管段包括漸縮段和漸擴(kuò)段連接而成，所述超音速噴管段內(nèi)的氣流流通截面變化方式為漸縮-漸擴(kuò)；所述內(nèi)波紋設(shè)置在所述超音速噴管段的漸擴(kuò)段內(nèi)壁面。

6.如權(quán)利要求5所述的超音速旋流冷凝分離裝置，其特征在于，所述內(nèi)波紋為連續(xù)內(nèi)波紋或間隔分布內(nèi)波紋。

7.如權(quán)利要求6所述的超音速旋流冷凝分離裝置，其特征在于，所述超音速噴管的漸擴(kuò)段的管壁內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)為正弦波，滿足下式(1)～(3)：

8.如權(quán)利要求7所述的超音速旋流冷凝分離裝置，其特征在于，所述內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的振蕩幅值a的取值范圍為(1％～5％)r；

9.如權(quán)利要求1所述的超音速旋流冷凝分離裝置，其特征在于，所述亞音速減速擴(kuò)壓段由平直段和擴(kuò)張段構(gòu)成，所述平直段在所述冷凝液收集腔的內(nèi)部，所述擴(kuò)張段在所述冷凝液收集腔的外部。

10.如權(quán)利要求9所述的超音速旋流冷凝分離裝置，其特征在于，所述擴(kuò)張段的半張角為5°～15°。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種噴管帶有內(nèi)波紋結(jié)構(gòu)的超音速旋流冷凝分離裝置，屬于氣液兩相流分離技術(shù)領(lǐng)域。該超音速旋流冷凝分離裝置包括：采用同軸固定布置的旋流發(fā)生段、超音速噴管段、超音速減速區(qū)段和亞音速減速擴(kuò)壓段，以及軸流式導(dǎo)流葉片、冷凝液收集腔和中心導(dǎo)流錐；旋流發(fā)生段內(nèi)與中心導(dǎo)流錐固定裝配的布置軸流式導(dǎo)流葉片；超音速噴管段的內(nèi)壁面沿軸線布置內(nèi)波紋，出口截面的內(nèi)波紋內(nèi)切內(nèi)徑與超音速減速區(qū)段的內(nèi)徑相等；冷凝液收集腔的入口處設(shè)置斜切進(jìn)口，超音速噴管段的出口截面的內(nèi)波紋與斜切進(jìn)口連通，以使超音速噴管段的冷凝液通過斜切進(jìn)口進(jìn)入冷凝液收集腔。提高分離器的可靠性與工況適應(yīng)性。

技術(shù)研發(fā)人員：趙家權(quán),丁家亮,胡麟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21