本發(fā)明涉及噴射裝置領域，具體涉及一種用于低粘度液體空間環(huán)境液滴生成的噴射裝置。

背景技術：

空間環(huán)境指航天器在外層空間飛行時所處的環(huán)境條件。

低粘度液體大直徑液滴在空間環(huán)境下的撞壁特性研究對我國航天器受大直徑液體太空垃圾污染與破壞后的損傷評估具有重要意義與科學研究價值，如何生成指定粒徑的低粘度液滴是開展上述研究的基礎與必要條件，但根據(jù)rayleigh模式射流破碎均勻液滴生成原理，指定液體密度、粘度系數(shù)以及噴射速度條件下，生成液滴的直徑范圍存在上限，無法實現(xiàn)更大粒徑的液滴生成，下面詳細進行說明。

雷諾數(shù)re是表征流體流動特性的一個重要參數(shù)。為流體慣性力和粘性力之比，定義式是re＝ρvd/μ，式中ρ表示流體密度，v表示流體流動速度，d表示噴嘴直徑，μ表示流體的粘性系數(shù)，當re<2300時，稱為層流狀態(tài)，能夠?qū)⑸淞髌扑樯删鶆蛞旱蔚膔ayleigh模式就處于此狀態(tài)下。

根據(jù)噴射速度從低到高，液體射流破碎成液滴的模式依次分為rayleigh模式破碎，一次風生破碎、二次風生破碎和霧化破碎。

現(xiàn)有研究結果表明，射流只有在rayleigh模式下才能夠破碎生成粒徑均勻的液滴陣列，即存在限制條件re<2300。由re數(shù)定義式可知，低粘度流體的粘性系數(shù)μ較小，對于相同的流體密度ρ、運動速度v條件，射流直徑d存在上限，相應的液滴生成直徑d也存在上限。以液體密度1000kg/m³、粘度系數(shù)0.01pa.s、速度30m/s為例，層流狀態(tài)下的射流直徑上限為0.77mm，根據(jù)曹建明教授在《噴霧學》中提出的d＝1.9d關系，生成均勻液滴的直徑上限為1.5mm，無法進一步實現(xiàn)更大粒徑的均勻液滴陣列生成。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于低粘度液體空間環(huán)境液滴生成的噴射裝置，解決了現(xiàn)有噴射裝置對于低粘度液體，在空間環(huán)境下無法通過單個噴孔直接利用rayleigh模式噴射生成大粒徑的均勻液滴。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種用于低粘度液體空間環(huán)境液滴生成的噴射裝置，包括殼體、壓電陶瓷致動器、整流板、噴頭、橡膠密封圈；其中殼體壁上開有徑向通孔，橡膠密封圈設置在噴頭與殼體之間，整流板上開有多個整流通孔；

其特殊之處在于：噴頭上設置有多個沿圓周均布的噴孔，各噴孔的中心線與噴頭中軸線相交于噴射下游的同一點。

為了平衡壓力陶瓷致動器受到的液體拉力，本發(fā)明的噴射裝置還包括彈性件；殼體包括首尾固定連接的前殼體和后殼體；前殼體前端設置有沿前殼體中心徑向延伸的前殼體擋板，彈性件設置在噴頭和前殼體擋板之間。

為平衡壓力陶瓷致動器受到的液體拉力，同時也便于彈性件的拆裝，本發(fā)明的噴射裝置還可設計為：包括彈性件，套筒狀頂蓋；所述頂蓋后端固定連接在殼體上，頂蓋前端設置有沿頂蓋中心徑向延伸的頂蓋擋板，彈性件設置在噴頭和頂蓋擋板之間。

進一步地，所述彈性件為彈簧；其中彈簧初始時為壓縮狀態(tài)，彈簧壓縮量x＞pa/k，式中：x為彈簧的壓縮量，p為噴射裝置內(nèi)的液體壓力，a為噴頭截面積，k為彈簧剛度系數(shù)。

進一步地，噴頭與壓電陶瓷致動器固定連接，噴頭外徑小于殼體壁內(nèi)徑。

進一步地，噴頭噴孔的孔徑范圍d2＝0.2～1.6mm。

進一步地，噴頭噴孔的長徑比范圍l/d2＝1～3。

進一步地，整流板上的多個通孔孔徑d1小于噴頭的噴孔孔徑d2；噴頭上的噴孔中心線與噴頭中心軸線夾角α＜5°。

為進一步有效保證壓電陶瓷致動器穩(wěn)定的位移輸出與軸線方向的伸縮能力，壓電陶瓷致動器采用多層壓電陶瓷堆疊的高壓機械封裝形式，其身部外壁為直管與波紋管組合式結構。

進一步地橡膠密封圈材質(zhì)選用fls氟硅橡膠。

為便于液體供應，噴射裝置還包括內(nèi)部設有供液通道的轉(zhuǎn)接頭，該轉(zhuǎn)接頭一端固定連接在所述殼體壁上的徑向通孔處，另一端通過螺紋與喇叭口端面與供應系統(tǒng)的接觸端面可靠密封。

噴射裝置工作時，低粘度液體由殼體上的徑向孔進入殼體與壓電陶瓷致動器之間的環(huán)縫內(nèi)，經(jīng)整流板整流后，通過噴頭的各個噴孔噴出。壓電陶瓷致動器在電源的驅(qū)動下帶動噴頭以一定頻率沿軸向往復運動，誘使噴頭與整流板之間的液體產(chǎn)生等頻率的壓力與流量振蕩，并使噴孔噴出的射流也具有等頻率的表面波，在rayleigh模式下表面波逐漸發(fā)展并形成粒徑均勻的液滴陣列。由于噴頭的各噴孔的中心線相交于噴頭下游的同一點位置，因此各噴孔生成的小液滴陣列在對應交點位置撞擊并融合成一個大粒徑的液滴陣列，融合過程中的擾動在表面張力的作用下逐漸耗散，生成大液滴趨于穩(wěn)定。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、噴頭上的各噴孔沿噴頭的中心軸線對稱分布且各噴孔中心線相交于噴射下游的同一點，因此各噴孔生成的小液滴陣列在對應交點位置撞擊且相互間徑向分力抵消，通過液滴撞擊融合的方法，把利用rayleigh模式生成的多束較小直徑液滴陣列，融合成了一束大直徑的液滴陣列。

2、由于壓電陶瓷致動器只能在受壓的情況下工作，壓電陶瓷致動器受到流體噴射方向的拉力后會逐漸改變原有的壓縮狀態(tài)，在噴頭和殼體間固定設置彈性件，預先壓緊彈性件，可以平衡壓力陶瓷致動器受到的液體拉力，從而避免了液體壓力過大導致的壓電陶瓷致動器出力衰減。

3、現(xiàn)有技術中的液滴發(fā)生器里的激勵部件很小、激勵能量小、激勵流體產(chǎn)生振蕩的幅度有限，本發(fā)明直接把壓電陶瓷致動器和可沿軸向運動的噴頭連接起來，極大增大了噴射器里的流體振蕩幅值，使生成液滴的可靠性更高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的用于低粘度液體空間環(huán)境液滴生成的噴射裝置實施例一結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的用于低粘度液體空間環(huán)境液滴生成的噴射裝置實施例二結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的用于低粘度液體空間環(huán)境液滴生成的噴射裝置尺寸標記示意圖；

圖4為圖1與圖2的a—a剖面圖；

圖5為圖1與圖2的b—b剖面圖；

圖6為噴頭的結構示意圖。

其中：1—壓電陶瓷致動器、2—密封墊、3—殼體、31—后殼體、32—前殼體、321—前殼體擋板、322—前殼體套環(huán)、4—轉(zhuǎn)接頭、5—噴頭、6—整流板、7—定位整流板、8—墊片、9—橡膠密封圈、10—彈簧、11—頂蓋、111—頂蓋擋板、112—頂蓋套環(huán)、α—噴頭上的噴孔中心線與噴頭中心軸線夾角、d1—整流板孔直徑、d2—噴頭噴孔直徑、l—噴頭噴孔長度。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明的附圖1至附圖6，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例一：如圖1，用于低粘度液體空間環(huán)境液滴生成的噴射裝置包括前殼體32、后殼體31、壓電陶瓷致動器1、噴頭5、橡膠密封圈9、整流板6、定位整流板7、彈簧10、頂蓋11、轉(zhuǎn)接頭4；壓電陶瓷致動器1采用多層壓電陶瓷堆疊的高壓機械封裝形式，其身部外壁中間段為波紋管狀，兩端為直管狀；定位整流板7與后殼體31為一體件，位于整流板6上游，壓電陶瓷致動器穿過定位整流板7的中心孔，前殼體32和后殼體31首尾焊接組成殼體3，整流板6卡接在前殼體32和后殼體31的連接端面處；后殼體31壁上開有徑向通孔作為液體的進口；壓電陶瓷致動器1通電端緊套在后殼體31內(nèi)，另一端與噴頭5連接，噴頭5位于前殼體32內(nèi)，且噴頭5外徑小于前殼體32內(nèi)徑，橡膠密封圈9選用fls氟硅橡膠，設置在噴頭5與前殼體32的環(huán)縫之間，保證噴頭5與前殼體32的可靠密封；整流板6中心開有通孔，壓電陶瓷致動器1從該中心通孔穿過，通孔孔徑大于與之配合的壓電陶瓷致動器1對應位置的外徑，整流板6上由中心向外發(fā)散設置有多個均勻分布的大小相等整流通孔；轉(zhuǎn)接頭4呈中空結構且一端開口呈漏斗狀，轉(zhuǎn)接頭4另一端固定連接在后殼體31壁上的徑向通孔處。

如圖6所示，噴頭5上設置有20個中心線相交于噴射下游的同一點的孔徑d2＝1.6mm的相同噴孔，各噴孔沿噴頭的中心軸線對稱分布，各噴孔沿圓周方向均勻分布，噴頭噴孔的長徑比l/d2＝1，噴頭的噴孔孔徑d2大于整流板上的多個通孔孔徑d1，噴頭上的噴孔中心線與噴頭中心軸線夾角α＝4°；

頂蓋11呈中通套筒狀結構，頂蓋11一端通過螺紋連接在前殼體32上，頂蓋11另一端設置徑向延伸的頂蓋擋板111和與頂蓋擋板111垂直的伸向噴射上游的頂蓋套環(huán)112，彈簧10兩端分別通過噴頭5和頂蓋擋板111壓緊；用于低粘度液體空間環(huán)境液滴生成的噴射裝置中的帶壓液體通過噴頭5對壓電陶瓷致動器施加拉力，這部分作用力通過彈簧10的預壓力進行平衡；彈簧10預壓縮量x＞pa/k，式中：x為彈簧的壓縮量，p為噴射裝置內(nèi)的液體壓力，a為噴頭(5)截面積，k為彈簧剛度系數(shù)。

實施例二：如圖2所示，用于低粘度液體空間環(huán)境液滴生成的噴射裝置包括前殼體32、后殼體31、壓電陶瓷致動器1、噴頭5、橡膠密封圈9、整流板6、定位整流板7、彈簧10、轉(zhuǎn)接頭4；壓電陶瓷致動器1采用多層壓電陶瓷堆疊的高壓機械封裝形式，其身部外壁中間段為波紋管狀，兩端為直管狀；定位整流板7與后殼體31為一體件，位于整流板6上游，壓電陶瓷致動器穿過定位整流板7的中心孔，前殼體32和后殼體31首尾焊接組成殼體3，整流板6卡接在前殼體32和后殼體31的連接斷面處；后殼體31壁上開有徑向通孔作為液體的流入口；壓電陶瓷致動器1通電端緊套在后殼體31內(nèi)，另一端與噴頭5螺紋連接，噴頭5位于前殼體32內(nèi)，且噴頭5外徑小于前殼體32內(nèi)徑，橡膠密封圈9選用fls氟硅橡膠，設置在噴頭5與前殼體32的環(huán)縫之間，保證噴頭5與前殼體32的可靠密封；整流板6中心開有通孔，壓電陶瓷致動器1從該中心通孔穿過，通孔孔徑大于與之配合的壓電陶瓷致動器1對應位置的外徑，整流板6上由中心向外發(fā)散設置有多個均勻分布的大小相等整流通孔；轉(zhuǎn)接頭4呈中通空結構且一端開口呈漏斗狀，轉(zhuǎn)接頭4固定連接在后殼體31壁上的徑向通孔處。

噴頭5上設置有10個中心線相交于噴射下游的同一點的孔徑d2＝0.2mm的相同噴孔，各噴孔沿噴頭5的中心軸線對稱分布，各噴孔沿圓周方向均勻分布，噴頭5噴孔的長徑比l/d2＝3，噴頭的噴孔孔徑d2大于整流板上的多個通孔孔徑d1，噴頭5上的噴孔中心線與噴頭5中心軸線夾角α＝3.5°；

前殼體32靠近噴射下游的一端設置有向前殼體32中心徑向延伸的前殼體擋板321和與前殼體擋板321垂直的伸向噴射上游的前殼體套環(huán)322，彈簧10兩端分別通過噴頭5和前殼體擋板321壓緊；彈簧10初始時為壓縮狀態(tài)，彈簧10壓縮量x＞pa/k，式中：x為彈簧的壓縮量，p為噴射裝置內(nèi)的液體壓力，a為噴頭5截面積，k為彈簧剛度系數(shù)。用于低粘度液體空間環(huán)境液滴生成的噴射裝置中的帶壓液體通過噴頭5向壓電陶瓷致動器1施加拉力，這部分拉力通過彈簧10壓縮恢復力平衡。

噴射裝置工作時，低粘度液體由后殼體31上的徑向孔進入殼體3與壓電陶瓷致動器1之間的環(huán)縫內(nèi)，經(jīng)定位整流板7一次整流后又經(jīng)整流板6二次整流，液體均勻流動，通過噴頭5的各個噴孔噴出。壓電陶瓷致動器1在電源的驅(qū)動下帶動噴頭5以一定頻率沿軸向往復運動，誘使整流板6與噴頭5之間區(qū)域內(nèi)的液體產(chǎn)生等頻率的壓力與流量振蕩，并使噴孔噴出的射流表面也疊加有有等頻率的初始表面波，在rayleigh模式下表面波逐漸發(fā)展并形成粒徑均勻的液滴陣列。由于噴頭5的各噴孔的中心線相交于噴頭5下游的同一點位置，因此各噴孔生成的小液滴陣列在對應交點位置撞擊并融合成一個大粒徑的液滴陣列，融合過程中的擾動在表面張力的作用下逐漸耗散，生成大液滴趨于穩(wěn)定。

下面對空間環(huán)境下低粘度液體在rayleigh模式下生成液滴的過程進行具體實例分析：

rayleigh模式射流破碎的限制條件為：

1)液體we數(shù)：wel>8，其中wel＝ρv²d/σ，式中ρ為液體密度、v為液滴流動速度、d為噴孔直徑、σ為液體表面張力系數(shù)。本項條件主要用于限定噴嘴孔徑的設計下限(最小值)，即d>8σ/(ρv²)；

2)環(huán)境氣體we數(shù)：weg<0.4或1.2+3.41oh^0.9，其中weg＝ρgv²d/σ，式中ρg為氣體密度；空間環(huán)境下的氣體密度很小，weg近似為零，以上條件能夠滿足；

3)rayleigh模式發(fā)生在層流為狀態(tài)，即re<2300，其中re＝ρvd/μ，式中μ表示流體的粘性系數(shù)。本項條件主要用于限定噴嘴孔徑的設計上限(最大值)，即d＜2300μ/(ρv)；

以粘度系數(shù)20mpa.s的二甲基硅油工質(zhì)在30m/s噴射速度工況為例，其物性參數(shù)為：密度950kg/m³，表面張力為20.6mn/m，計算過程如下：

單個噴孔直徑：

單個噴孔生成的液滴直徑最大值d＝1.9*d＝3.1mm

當噴孔數(shù)量取到30，即可使整個噴射器生成一束直徑為的液滴陣列。注意，單個噴嘴最大只能生成1.6mm直徑液滴，只有通過融合的方法才可以生成達到直徑為8mm的大液滴。

理論上，如果噴孔數(shù)量更多，生成的液滴直徑更大，因為通過撞擊融合的方式已經(jīng)繞過了rayleih模式生成液滴的限制條件。