генератор колебаний текучей среды с вытянутой щелью

Формула изобретения

1. Генератор колебаний текучей среды, симметричный по отношению к продольной плоскости симметрии (Р), отверстие (22) которого обеспечивает подачу текучей среды в камеру (24), называемую камерой колебаний, в виде двухмерной струи текучей среды, колеблющейся в поперечном относительно плоскости симметрии (Р) направлении, содержащий препятствие (26), занимающее основной объем указанной камеры колебаний, имеющее фронтальную стенку (40) с выемкой (42), расположенной против входного отверстия, и отмываемое струей текучей среды, совершающей колебания, отличающийся тем, что с одной и с другой стороны от отверстия (22) имеются две боковые стенки (34, 36), продолжающие его так, чтобы образовать сопло внутри камеры колебаний в направлении к препятствию с размером в продольном направлении, меньшим, чем расстояние между отверстием и фронтальной стенкой препятствия, и так, чтобы край этих стенок не был расположен близко от выемки (42).

2. Генератор колебаний текучей среды по п.1, отличающийся тем, что боковые стенки (34, 36), по существу, параллельны между собой.

3. Генератор колебаний текучей среды по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что продольный размер Le боковых стенок (34, 36) находится в пределах от 0,75 до 1b, где b - поперечный размер или ширина отверстия (22).

4. Генератор колебаний текучей среды по п.3, отличающийся тем, что продольный размер Le боковых стенок, по существу, равен b.

5. Генератор колебаний текучей среды по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что фронтальная стенка (40) препятствия (26) имеет две фронтальные, по существу, плоские поверхности (44, 46), окружающие выемку (42) в этом препятствии, причем плоскость каждой из этих поверхностей, по существу, перпендикулярна продольной плоскости симметрии (Р).

6. Генератор колебаний текучей среды по п.5, отличающийся тем, что камера колебаний (24) имеет два участка стенок (30а, 32а), расположенных с одной и с другой стороны от отверстия (22), и на них имеются поверхности, расположенные против соответственных фронтальных поверхностей (44, 46) препятствия и, по существу, параллельные им.

7. Генератор колебаний текучей среды по п.5, отличающийся тем, что выемка (42) определяется поверхностью, которая в плоскости колебаний струи текущей среды обладает, с одной стороны, двумя прямыми участками (42а, 42b), по существу, параллельными продольной плоскости симметрии (Р) там, где эта поверхность соединяется с каждой из указанных фронтальных поверхностей (44, 46), а с другой стороны, участком полукруглой формы (42с), соединенным с этими прямыми участками.

8. Генератор колебаний текучей среды по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что часть выемки (42), наиболее удаленная от отверстия (22), находится на расстоянии Lo от фронтальной стенки (40) препятствия (26), составляющем от 2,2 до 2,5b, где b равно поперечному размеру или ширине отверстия.

9. Генератор колебаний текучей среды по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что расстояние L между отверстием (22) и фронтальной стенкой (40) препятствия (26) составляет от 2,8 до 3,2b, где b равно поперечному размеру или ширине отверстия.

10. Генератор колебаний текучей среды по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что включает в себя по меньшей мере два датчика (48, 50) определения изменений скорости или давления в потоке текучей среды.

11. Генератор колебаний текучей среды по п.10, отличающийся тем, что датчики (48, 50) определения изменений скорости в потоке текучей среды расположены вблизи края сопла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к генератору колебаний текучей среды, обладающему симметрией по отношению к продольной плоскости симметрии Р, содержащему входное отверстие для подачи текучей среды в камеру, называемую камерой колебаний, в виде двухмерной струи текучей среды, колеблющейся в поперечном к указанной плоскости симметрии Р направлении, и препятствие, занимающее большую часть камеры колебаний, имеющее на своей фронтальной стенке выемку, расположенную против входного отверстия, и омываемое в процессе колебаний струей текучей среды.

Генераторы колебаний текучей среды известны, и в патенте WО 9322627 описано одно такое устройство, вид сверху которого изображен на фиг.1.

Генератор 1, обладающий симметрией по отношению к продольной плоскости симметрии, состоит из камеры колебаний 3 и расположенного в ней препятствия 5. У препятствия 5 имеется фронтальная стенка 7, в которой против отверстия 11 выполнена фронтальная выемка 9.

Это отверстие 11 определяет место входа текучей среды в камеру колебаний 3 и служит для формирования двухмерной струи текучей среды, колеблющейся в поперечном направлении по отношению к продольной плоскости симметрии Р генератора. При работе генератора колебаний текучей среды, когда струя текучей среды встречается с фронтальной расположенной выемкой 9 и в процессе колебаний омывает ее, с одной и с другой стороны от струи (фиг.1) образуются основные вихри Т₁ и Т₂, которые со сдвигом по фазе в 180 градусов поочередно усиливаются или ослабляются в зависимости от фазы колебаний струи.

На фиг. 1 вихрь Т₁ занимает значительно больше места, чем размер фронтальной выемки в препятствии, а давление в этом вихре таково, что струя отклоняется в крайнее положение, несмотря на присутствие второго вихря Т₂, расположенного между фронтальной стенкой 7 препятствия 5, примыкающей к выемке, и расположенной напротив стенкой 13 камеры колебаний, соединенной с отверстием 11.

Когда струя текучей среды занимает это положение, часть потока из струи направляется к задней части по потоку препятствия, а другая часть присоединяется к вихрю Т₂, что увеличивает его размеры и повышает в нем давление до того момента, когда величина давления становится достаточной для смещения струи в другую крайнюю позицию.

В результате струя колеблется от одной крайней позиции к другой и определение частоты колебаний струи позволяет определить расход текучей среды, так как эта частота рассматривается как величина, пропорциональная расходу.

Для того чтобы уменьшить погрешность в определении расхода текучей среды, отношение "частота колебаний/расход" не должно существенно зависеть от режима течения.

Однако в так называемом переходном режиме, то есть для чисел Рейнольдса порядка 300, вычисленных для потока справа от отверстия 11, заявителем было установлено возникновение зоны высокого давления (вихрь Т₃) вблизи основания струи текучей среды со стороны расположения вихря Т₁ так же, как и образование других вихрей, располагающихся против фронтальной поверхности под вихрями 11 и Т₃ на фиг.1.

Эти вихри усиливают действие вихря Т₁ и из-за этого вихрю Т₂ требуется больше времени для достижения состояния, когда его давление уравновешивает давление со стороны Т₁ и Т₃; это снижает частоту колебаний и вносит ошибку в определение расхода текучей среды.

Из патента US 4244230 также известна конструкция генератора колебаний текучей среды с соплом, направленным к препятствию U-образной формы, определяющему камеру колебаний. Продольные размеры боковых стенок сопла равны или превосходят расстояние между краями стенок препятствия и самой верхней частью задних по потоку поверхностей двух элементов сечения в форме полуовала, расположенных перпендикулярно по отношению к каналу, и главные оси которых расположены параллельно направлению потока текучей среды. При работе такого генератора колебаний текучей среды этот тип сопла влияет на колебания струи, заметно подавляя развитие вихря Т₁.

Задачей настоящего изобретения является исключение этих проблем в генераторе колебаний текучей среды, симметричном по отношению к продольной плоскости симметрии Р, и содержащем отверстие для входа текучей среды в камеру, называемую камерой колебаний, в виде двухмерной струи текучей среды, колеблющейся в поперечном направлении по отношению к указанной плоскости симметрии Р и препятствие, занимающее большую часть камеры колебаний, имеющее фронтальную стенку с выемкой, расположенной против этого отверстия, и омываемое колеблющейся струей текучей среды, отличающемся тем, что две боковые стенки расположены с одной и с другой стороны от отверстия и продолжают его, образуя внутри камеры колебаний в направлении к препятствию сопло строго меньшего продольного размера, чем расстояние между отверстием и фронтальной стенкой препятствия так, чтобы край этих стенок не был расположен слишком близко от выемки.

Это сопло образует экран для текучей среды, защищающий от вихрей, расположенных в зоне высокого давления вблизи основания струи и чрезмерно влияющих на ее изгибы.

В результате струя текучей среды в меньшей степени зависит от этих возмущающих вихрей, чем в известных технических решениях.

Таким образом, генератор колебаний текучей среды согласно изобретению имеет в переходном режиме повышенную частоту колебаний по сравнению с частотой колебаний в известных устройствах.

Одной из характеристик изобретения является по существу параллельность боковых стенок. Предпочтительно, чтобы продольный размер боковых стенок Le был в пределах от 0,75 до 1, где b - поперечный размер или ширина отверстия.

Например, продольный размер Le боковых стенок по существу равен b.

Предпочтительно, чтобы фронтальная стенка препятствия имела две фронтальные в основном плоские поверхности, охватывающие выемку в указанном препятствии, причем плоскость каждой из этих поверхностей является по существу перпендикулярной продольной плоскости симметрии Р.

Камера колебаний предпочтительным образом имеет два участка стенок, расположенных с одной и с другой стороны от отверстия и содержащих две поверхности, расположенные соответственно против фронтальных поверхностей препятствия и по существу параллельные им.

Одной из характеристик изобретения является то, что выемка определяется поверхностью, которая в плоскости колебаний струи текучей среды, с одной стороны, имеет два прямых участка по существу параллельных продольной плоскости симметрии Р там, где эта поверхность соединяется с каждой из указанных фронтальных поверхностей, а с другой стороны, участок в виде полуокружности, соединенный с этими прямыми участками.

Желательно, чтобы наиболее удаленная от отверстия часть выемки находилась на расстоянии Lo от фронтальной стенки препятствия, составляющем от 2,2b до 2,5b, где b обозначает поперечный размер или ширину отверстия.

Другой характеристикой изобретения является то, что расстояние L между отверстием и фронтальной стенкой препятствия заключено в пределах от 2,8 до 3,2b, где b обозначает поперечный размер или ширину отверстия.

Еще одной отличительной характеристикой изобретения является наличие в генераторе колебаний текучей среды по меньшей мере двух датчиков определения изменении скорости или давления потока текучей среды.

Предпочтительно, чтобы датчики определения изменений скорости потока текучей среды располагались вблизи от края сопла.

Другие характеристики и преимущества изобретения следуют из нижеследующего описания, данного в качестве примера реализации, в сопровождении чертежей, на которых:

- на фиг.1 дан вид сверху генератора колебаний текучей среды известной конструкции,

- на фиг. 2 представлен вид сверху генератора колебаний текучей среды согласно изобретению,

- на фиг. 3 дан вид сверху генератора колебаний текучей среды изображенного на фиг.2, где главные вихри T₁, T₂ изображены при крайнем положении струи текучей среды,

- на фиг. 4 графически показаны кривые линейности генератора колебаний текучей среды, изображенного на фиг.2, с соплом 38 и без него.

На фиг. 2 изображен и общей позицией 20 обозначен на чертежах генератор колебаний текучей среды, используемый во взаимодействии с потоком газа для определения расхода и объема газа, прошедшего через этот генератор.

Генератор колебаний текучей среды 20 симметричен по отношению к продольной плоскости симметрии Р, вдоль которой расположено входное отверстие 22, в данном предпочтительном примере выполненное в виде щели, обеспечивающее вход потока в камеру 24, называемую камерой колебаний, в центре которой расположено препятствие 26, занимающего большую часть этой камеры, и выходное отверстие 28 для удаления потока газа из камеры колебаний.

Камера колебаний ограничена двумя стенками 30, 32, расположенными симметрично относительно плоскости Р, и эти стенки соединяют между собой входное и выходное отверстия.

Входное отверстие 22 в виде щели выполнено постоянного поперечного размера или ширины b, а его наибольший размер, или его высота, расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости фиг.2.

Эта щель вытянута в продольном направлении, которое соответствует направлению от входного отверстия 22 к выходному отверстию 28, сформированному боковыми параллельными стенками 34, 36, которые образуют сопло 38. Эти боковые стенки продолжены во внутреннюю часть камеры колебаний 24 соответственно от каждой из стенок 30, 32 камеры колебаний с одной и с другой стороны от входного отверстия по всей его высоте.

Это сопло преобразует поток газа, проходящий сквозь него и обозначенный стрелкой F, в двухмерную струю текучей среды (струя текучей среды остается почти без изменений по направлению, параллельному высоте щели), которая колеблется в поперечном направлении по отношению к продольной плоскости симметрии Р.

В камере колебаний 24 ее стенки 30 и 32 и стенки препятствия 26 образуют два канала С1 и С2, обеспечивающие истечение потока газа попеременно через один или через другой канал к выходу 28 генератора колебаний текучей среды.

Препятствие 26 имеет фронтальную стенку 40, в которой выполнена выемка, 42, расположенная против сопла 38, и которая омывается струей газа в процессе ее колебательного движения.

Фронтальная стенка 40 препятствия 26 также включает в себя две поверхности, называемые фронтальными поверхностями 44 и 46, которые в основном являются плоскими и расположены симметрично с одной и с другой стороны от выемки 42.

Плоскость, которой принадлежат эти фронтальные поверхности, по существу, перпендикулярна продольной плоскости симметрии Р и направлению течения через входное отверстие 22.

В камере колебаний 24 также имеется два участка стенок 30а и 32а, расположенных симметрично с обеих сторон от входного отверстия 22 против фронтальных поверхностей 44 и 46.

Участки стенок 30а и 32а имеют поверхности, которые параллельны фронтальным поверхностям 44 и 46.

Таким образом, образующиеся с одной и с другой стороны от струи вихри локализуются в двух свободных зонах, расположенных между фронтальными поверхностями 44 и 46 и соответствующими поверхностями участков стенок 30а и 32а. Формирование и развитие этих вихрей происходит, таким образом, в пространстве между этими поверхностями в квазисвободном режиме.

Для того чтобы эти поверхности выполняли свою функцию, совсем не обязательно, чтобы поперечный размер или ширина Fo фронтальных поверхностей 44, 46 была велика, и достаточно, чтобы ширина Fo имела величину в пределах от 0,8b до 1,4b, например, вполне подходящей является величина 1,2b.

Расстояние L между фронтальными поверхностями 44 и 46 и поверхностями участков стенок 30а и 32а не должно быть слишком малым с тем, чтобы для развития вихрей оставалось достаточно места.

Действительно, если расстояние L слишком мало, например менее 2,8b, то могут возникнуть проблемы в ламинарном режиме, так как давление в вихрях будет расти слишком быстро, а в результате струя начнет колебаться слишком быстро.

Желательно, чтобы расстояние L равнялось 3b.

В плоскости фиг. 2 выемка 42 обладает поверхностью, профиль которой позволяет направлять струю газа в упомянутую выемку в процессе ее колебаний и воспрепятствовать всякому созданию эффекта рециркуляции внутри этой выемки.

В плоскости фиг. 2 поверхность выемки ограничивается двумя прямыми участками 42а, b, по существу параллельными продольной плоскости симметрии Р и соединяющими соответственно обе фронтальные поверхности 44, 46 с отверстием выемки.

Поверхность выемки также ограничивается участком полукруглой формы 42с, который соединяется с этими прямыми участками и формирует, таким образом, дно выемки. В результате потоки, формирующиеся из струи при ее контакте с поверхностью выемки, разделяются и направляются вдоль упомянутых поверхностей, имея на ее выходе направление, по существу параллельное плоскости Р.

Возможны и другие формы выемки при условии, что они обеспечивают выполнение описанной выше функции.

Например, профиль поверхности может быть параболическим.

Кроме того, тот факт, что поверхности участков стенок 30а и 32а параллельны фронтальным поверхностям 44, 46 и что поток, выходящий из выемки 42, направлен по существу перпендикулярно к этим поверхностям, позволяет не придавать потоку, попадающему на указанные поверхности участков стенок 30а и 32а, угол падения, слишком удаленный от перпендикуляра к этим поверхностям при любом расходе в этом потоке.

Действительно, существенное отклонение угла падения от нормали к этим поверхностям вызвало бы изменение размера вихря, располагающегося между одной из этих фронтальных поверхностей и соответствующей противолежащей поверхностью участка стенки 30а и 32а.

Кроме того, следует отметить, что данная выемка является более глубокой, чем выемка в генераторе колебаний текучей среды в прототипе, изображенном на фиг.1, что обеспечивает неизменность структуры основного вихря 11 независимо от режима течения (ламинарный, переходный, турбулентный). Таким образом, даже при очень низком расходе, то есть при числах Рейнольдса порядка 50, в этой выемке вихрь может развиваться подобно тому, что происходит в турбулентном режиме. Это позволяет измерить частоту колебаний струи при числах Рейнольдса порядка 50, что невозможно выполнить с использованием выемки генератора колебаний, изображенного на фиг.1.

Наиболее удаленная от входного отверстия 22 часть выемки расположена на расстоянии Lo от фронтальных поверхностей 44, 46, находящихся в плоскости отверстия этой выемки, причем величина Lo заключена в пределах от 2,2b до 2,5b и составляет, например, 2,4b.

В действительности, выемка 42 не должна быть слишком глубокой (например, Lo=3b) с тем, чтобы не усиливать влияния вихря 11 на струю при низких расходах, так как это значительно снизило бы частоту колебаний струи.

Ширина Ro выемки 42 на уровне ее входного отверстия между двумя прямыми участками 42а, 42b составляет от 3,4b до 3,8b, например, 3,6 b.

При удлинении отверстия 22 за счет сопла 38, когда струя текучей среды отклонена в положение, изображенное на фиг.3, струя оказывается изолированной от возмущающего воздействия вихрей, расположенных между фронтальной поверхностью 46 и поверхностью, соответствующей участку стенки 32а в ее части, отводимой стенками 34, 36. В результате основание струи подкрепляется, что снижает влияние на нее со стороны этих паразитных вихрей и позволяет ей иметь более высокую частоту колебаний по сравнению с тем, что наблюдается в прототипе (фиг.1) в переходном режиме.

Кроме того, в конструкции генератора колебаний текучей среды согласно изобретению, изображенной на фиг. 2 и 3, отклонение струи в ее свободной части становится больше по сравнению с прототипом и видно, что струя против фронтальной поверхности 44 поворачивает к соответствующей поверхности участка стенки 30а, что оставляет меньше места для развития вихря Т₂.

Это объясняет, почему давление в вихре Т₂ растет быстрее, чем в прототипе, и в результате давление со стороны Т₁ будет скомпенсировано быстрее, что ускоряет процесс изменения направления струи.

Продольный размер Le боковых стенок 34, 36 должен быть строго меньше расстояния L с тем, чтобы указанные стенки не оказались слишком близко к выемке 42, которая оказывается полностью заполненной одним из вихрей Т₁, в то время как вихрь Т₂ будет локализован в свободном пространстве между фронтальной поверхностью 44 и располагающейся напротив поверхностью участка стенки 30а (фиг.3).

Действительно, слишком длинные боковые стенки (например, Le=2b) способствуют развитию вихря Т₁ и, следовательно, влияют на колебания струи. Условия формирования вихря Т₂ также будут изменены, так как при этом струя будет оставаться внутри выемки, затрудняя усиление вихря Т₂ в ограниченном пространстве.

Предпочтительно размер Le заключен между 0,75b и 1b и составляет, например, 0,9b.

Кроме того, эти стенки изолируют струю от встречных потоков, которые способны вызвать погрешности в определении частоты колебаний струи.

Как это показано на фиг. 2, боковые стенки 34, 36 сопла 38 в их продольном направлении на расстоянии Le имеют постоянную толщину, за исключением зоны соединения этих боковых стенок и участков стенок 30а, 32а, где поверхность боковых стенок имеет небольшую вогнутость. Важно отметить, что эти боковые стенки занимают минимум места с тем, чтобы не препятствовать развитию основных вихрей 11 и 12.

Таким образом, боковым стенкам 34, 36 может быть придана форма двух очень тонких прямых пластин, которые будут способны направлять струю текучей среды и защищать ее от возмущений.

Конструкция описанного выше генератора колебаний текучей среды позволяет обеспечить такую структуру вихрей 11 и 12, которая мало меняется в зависимости от режима течения, что обеспечивает высокие метрологические качества.

Генератор колебаний текучей среды, показанный на фиг.2, дает возможность измерить расход протекающего через него газа за счет двух датчиков давления в двух крайних точках смывания струей газа внутри выемки 42. Эти датчики давления связаны с известными устройствами, которые позволяют измерить частоту колебаний струи. Предварительная калибровка позволяет связать частоту колебаний с расходом.

Для определения изменений скорости течения струи и, следовательно, для измерения частоты колебаний струи можно использовать термические или ультразвуковые датчики.

Эти датчики также можно располагать между соплом 38 и препятствием 26 в верхней стенке (не показанной на фиг.2), которая образует крышку генератора колебаний текучей среды, или в нижней стенке этого генератора (которая образует задний план на фиг.2).

На фиг.2 расположение таких датчиков 48, 50 отмечено кружками.

Следует отметить, что в плоскости фиг.2 датчики 48, 50 предпочтительно располагаются перед краем сопла 38 и разнесены на расстояние меньшее или равное расстоянию между боковыми стенками 34, 36 с тем, чтобы они оказались в потоке текучей среды.

При низком расходе вдоль внутренних поверхностей боковых стенок 34, 36 формируется пограничный слой, что придает струе на выходе из сопла 38 градиент скорости, более выраженный, чем это имеет место в основании струи, расположенном в отверстии 11 на фиг.1, а следовательно, сигнал, получаемый от датчиков, оказывается более сильным, чем в прототипе. Таким образом, определение частоты колебаний струи текучей среды при низком расходе с помощью датчиков 48, 50, расположенных перед соплом 38, оказывается более простой задачей, чем в генераторе колебаний текучей среды прототипа.

Кроме того, при повышенном расходе расположенные таким образом датчики оказываются защищенными от возмущений, связанных с возвратным течением, что может влиять на сигнал от этих датчиков.

На фиг.4 изображены три кривых линейности генераторов колебаний текучей среды, имеющих три различные конфигурации: кривая А соответствует генератору, изображенному на фиг.2, без сопла 38, кривые В и С относятся к генератору фиг.2 при двух различных значениях длин сопла 38, причем одна длина равна 0,5b(кривая В), а другая - 0,9b (кривая С).

В этих генераторах ширина b отверстия 22 равна 19 мм, а другие размеры соответствуют приведенным выше данным в зависимости от этой ширины b.

Таким образом, наличие в камере колебаний сопла приводит к повышению частоты колебаний струи в переходном режиме и, следовательно, корректирует кривую линейности для генератора колебаний текучей среды.

При небольшом увеличении длины сопла этот эффект также становится более выраженным, однако слишком увеличивать его продольный размер не стоит, так как в ламинарном режиме частота колебаний струи может значительно возрасти. Подобный генератор колебаний текучей среды можно с успехом использовать как для газов, так и для жидкостей (вода, моторные топлива и т.п.).