用于在旋轉(zhuǎn)流體中產(chǎn)生渦流腔的裝置和方法與流程
本公開總體上涉及用于在旋轉(zhuǎn)流體中產(chǎn)生渦流腔的裝置和方法，例如用于在等離子體壓縮系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)流體中產(chǎn)生渦流腔的裝置和方法。
背景技術(shù)：
除非本文中另外指出，否則本部分中所描述的內(nèi)容不是本申請中的權(quán)利要求的現(xiàn)有技術(shù)，并且不應(yīng)因包括在本部分中而被認為是現(xiàn)有技術(shù)。
位于大量液體介質(zhì)內(nèi)的平滑的抽真空腔是加拿大本拿比的generalfusion公司正在研發(fā)的等離子體壓縮系統(tǒng)的基本部分。在填充有熔融金屬例如熔融鉛鋰的等離子體壓縮容器的中心處產(chǎn)生抽真空腔或者也被稱為渦流腔。使用泵送系統(tǒng)在壓縮容器中提供流體的旋轉(zhuǎn)流動并且產(chǎn)生可以是氣體腔或真空腔的腔。等離子體被噴射到這種腔中并且隨后通過會聚的壓力波而被壓縮，該會聚的壓縮波使腔坍縮以壓縮該腔中的等離子體。
已有的實驗使用水泵送系統(tǒng)和/或液態(tài)鉛泵送系統(tǒng)來產(chǎn)生渦流腔。這些系統(tǒng)中的一些系統(tǒng)中的泵送系統(tǒng)基于浴缸渦流的概念，其中，由于將液體切向地泵送到壓縮容器中并且將液體從位于這種容器的底部上的孔排出而形成腔。即使這些系統(tǒng)在形成渦流腔方面獲得成功，仍確定存在問題，諸如例如腔延伸經(jīng)過整個容器并且進入到排出管中的情形，使得所獲得的渦流腔缺乏期望平滑度的液/氣界面。界面缺乏平滑度、即高頻表面波紋的持續(xù)存在歸因于在界面附近存在強大的豎向剪切層以及歸因于旋轉(zhuǎn)界面(渦流的頂部和底部)與容器的靜止壁的相互作用。渦流腔延伸經(jīng)過容器的整個高度，從而在容器的頂部處接觸靜止壁并且在容器的底部處進入排出孔。當(dāng)渦流腔延伸到排出孔中時，渦流腔會阻塞排出區(qū)域的很大的一部分，這會導(dǎo)致渦流界面附近的豎向速度(和剪切)的明顯增大，這又會引起渦流的不穩(wěn)定(例如旋進)及其較差的表面質(zhì)量。除此以外，系統(tǒng)中的流體的量不能被固定，即流體噴射和流體排出被斷開聯(lián)系(開放系統(tǒng))，從而導(dǎo)致難以控制和/或預(yù)測所產(chǎn)生的渦流腔的精確參數(shù)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
一方面，提供了一種用于在旋轉(zhuǎn)的流體中產(chǎn)生渦流腔的裝置。該裝置包括容器，該容器包括第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器，其中，第一旋轉(zhuǎn)器具有以可旋轉(zhuǎn)的方式布置在容器內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)相向表面，第二旋轉(zhuǎn)器具有布置在容器內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)相向表面使得該第二旋轉(zhuǎn)器的可旋轉(zhuǎn)相向表面與第一旋轉(zhuǎn)器的可旋轉(zhuǎn)相向表面同軸并且面向第一旋轉(zhuǎn)器的可旋轉(zhuǎn)相向表面。該裝置還包括至少一個流體噴射入口，所述至少一個流體噴射入口與容器的內(nèi)部流體連通并且定位在第一旋轉(zhuǎn)器與第二旋轉(zhuǎn)器之間使得旋轉(zhuǎn)流體能夠以使旋轉(zhuǎn)流體在第一旋轉(zhuǎn)器與第二旋轉(zhuǎn)器之間旋轉(zhuǎn)流動的方式噴射到容器中。該裝置還包括流體泵，該流體泵聯(lián)接至所述至少一個流體噴射入口以將旋轉(zhuǎn)流體噴射到容器中，從而使得流體在容器中以足夠的角動量旋轉(zhuǎn)以形成在第一旋轉(zhuǎn)器與第二旋轉(zhuǎn)器之間延伸的渦流腔。該渦流腔的半徑小于第一旋轉(zhuǎn)器的半徑和第二旋轉(zhuǎn)器的半徑使得該渦流腔的一個端部坐置在第一旋轉(zhuǎn)器的可旋轉(zhuǎn)相向表面上并且該渦流腔的相反端部坐置在第二旋轉(zhuǎn)器的可旋轉(zhuǎn)相向表面上。該裝置還包括至少一個旋轉(zhuǎn)流體排出口，所述至少一個旋轉(zhuǎn)流體排出口與容器的內(nèi)部流體連通，并且所述至少一個旋轉(zhuǎn)流體排出口與第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器間隔開足夠的距離以允許流體從容器排出。
一方面，所述至少一個旋轉(zhuǎn)流體排出口與第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器同軸。
該裝置還可以包括管道網(wǎng)，該管道網(wǎng)流體地聯(lián)接至流體泵以及所述至少一個噴射入口和所述至少一個排出口使得從容器經(jīng)由所述至少一個排出口排放的旋轉(zhuǎn)流體經(jīng)由所述至少一個噴射入口再循環(huán)回到容器中。
一方面，第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器中的至少一者還可以包括由具有足以支承渦流腔的寬度的實心邊緣包圍的中心開口。第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器中的所述至少一者可以是具有中心開口和側(cè)壁的中空管，側(cè)壁限定用以支承渦流腔的實心邊緣。中空管還可以包括縫、可動蓋和驅(qū)動件，其中，該縫沿著側(cè)壁的內(nèi)側(cè)面的周面延伸，該驅(qū)動件構(gòu)造成將可動蓋在封閉中心開口的第一位置與不封閉中心開口的第二位置之間驅(qū)動。
另一方面，該裝置還可以包括至少一個馬達和控制器，其中，所述至少一個馬達用以使第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)，該控制器與所述至少一個馬達電通信并且被編程為分別調(diào)節(jié)第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)速。
一方面，第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器還可以包括多個翅片，所述多個翅片連接至第一旋轉(zhuǎn)器的底表面和第二旋轉(zhuǎn)器的底表面并且延伸離開第一旋轉(zhuǎn)器的底表面和第二旋轉(zhuǎn)器的底表面使得所述多個翅片大致垂直于旋轉(zhuǎn)流體的旋轉(zhuǎn)方向定向。
另一方面，提供了一種采用渦流發(fā)生器的等離子體壓縮系統(tǒng)。該等離子體壓縮系統(tǒng)包括用于將旋轉(zhuǎn)流體容納在其中的等離子體壓縮室、至少一個旋轉(zhuǎn)流體噴射入口和與所述至少一個旋轉(zhuǎn)流體噴射入口間隔開的至少一個旋轉(zhuǎn)流體排出口。外壁限定壓縮室的內(nèi)部空間。該系統(tǒng)還包括至少一個等離子體發(fā)生器，所述至少一個等離子體發(fā)生器構(gòu)造成產(chǎn)生等離子體并且將等離子體噴射到室的內(nèi)部空間中。等離子發(fā)生器具有與等離子體壓縮室的內(nèi)部空間流體連通的排放出口使得所產(chǎn)生的等離子體可以排放到室中。具有圍繞室布置的多個活塞的壓力波發(fā)生器設(shè)置成使得活塞操作成撞擊室的外壁并且產(chǎn)生會聚到被容納在室的內(nèi)部空間中的旋轉(zhuǎn)流體中的會聚的壓力波。該系統(tǒng)還包括用以在室中形成渦流腔的渦流發(fā)生器。渦流發(fā)生器包括第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器，其中，第一旋轉(zhuǎn)器具有以可旋轉(zhuǎn)的方式布置在內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)相向表面，第二旋轉(zhuǎn)器具有以可旋轉(zhuǎn)的方式布置在室內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)相向表面。所述至少一個流體噴射入口位于第一旋轉(zhuǎn)器與第二旋轉(zhuǎn)器之間并且與內(nèi)部空間流體連通使得旋轉(zhuǎn)流體能夠以使該旋轉(zhuǎn)流體在第一旋轉(zhuǎn)器與第二旋轉(zhuǎn)器之間旋轉(zhuǎn)流動的方式噴射到等離子體壓縮室中。所述至少一個旋轉(zhuǎn)流體排出口也與內(nèi)部空間流體連通并且與第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器間隔開足夠的距離以允許旋轉(zhuǎn)流體從等離子體壓縮室排出。所述至少一個流體噴射入口聯(lián)接有流體泵并且該流體泵操作成將旋轉(zhuǎn)流體噴射到等室中以使得旋轉(zhuǎn)流體以足夠的角動量旋轉(zhuǎn)，從而形成在第一旋轉(zhuǎn)器與第二旋轉(zhuǎn)器之間延伸的渦流腔，使得渦流腔的一個端部坐置在第一旋轉(zhuǎn)器的可旋轉(zhuǎn)相向表面上并且渦流腔的相反端部坐置在第二旋轉(zhuǎn)器的可旋轉(zhuǎn)相向表面上。第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器中的至少一者包括由具有足以支承渦流腔的寬度的實心邊緣包圍的中心開口。中心開口與等離子體發(fā)生器的排放出口對準以使得由等離子體發(fā)生器排放的等離子體進入渦流腔。
又一方面，提供了一種用于在等離子體壓縮系統(tǒng)中產(chǎn)生渦流腔的方法。該方法包括在等離子體壓縮室內(nèi)提供第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器使得第二旋轉(zhuǎn)器與第一旋轉(zhuǎn)器間隔開。第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器各自具有可旋轉(zhuǎn)相向表面，該可旋轉(zhuǎn)相向表面布置在室內(nèi)使得第一可旋轉(zhuǎn)相向表面和第二可旋轉(zhuǎn)相向表面彼此同軸并且面向彼此。該方法還包括使旋轉(zhuǎn)流體在等離子體壓縮室內(nèi)以足夠的角動量循環(huán)以形成在第一旋轉(zhuǎn)器與第二旋轉(zhuǎn)器之間延伸的渦流腔以及使第一旋轉(zhuǎn)器的可旋轉(zhuǎn)相向表面和第二旋轉(zhuǎn)器的可旋轉(zhuǎn)相向表面以一定速度旋轉(zhuǎn)從而使得渦流腔的第一端部坐置在第一旋轉(zhuǎn)器的可旋轉(zhuǎn)相向表面上并且渦流腔的相反的第二端部坐置在第二旋轉(zhuǎn)器的可旋轉(zhuǎn)相向表面上。
除了上述方面和實施方式之外，通過參照附圖和研究以下詳細描述，其他方面和實施方式將變得明顯。
附圖說明
在所有附圖中，附圖標記可能被重復(fù)使用以表示所參引的元件之間的對應(yīng)關(guān)系。提供附圖以對本文中所描述的示例性實施方式進行說明，并且這些附圖不意在限制本公開的范圍。附圖中的元件的尺寸和相對位置不一定按比例繪制。例如，角度和各個元件的形狀沒有按比例繪制，并且這些元件中的一些元件被任意地放大和定位以提高附圖的易讀性。
圖1a至圖1d是模擬的示意性截面圖，其示出了氣液界面處的流體動力學(xué)不穩(wěn)定性在渦流腔由于氣液界面處的兩個幅度的初始擾動而坍縮的期間的演變；
圖2a是根據(jù)一個實施方式的用于產(chǎn)生渦流腔的裝置的側(cè)視截面圖；
圖2b是圖2a中所示的裝置的俯視截面圖；
圖3a是圖2a中所示的裝置的計算機生成的數(shù)值模型的示意性立體圖；
圖3b是根據(jù)又一實施方式的用于產(chǎn)生渦流腔的裝置的計算機生成的數(shù)值模型的示意性立體圖；
圖4a是圖3a中所示的裝置中的渦流形成的示意性立體圖；
圖4b是圖3b中所示的裝置中的渦流形成的示意性立體圖；
圖5a是在該裝置的第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器以預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)時形成的渦流腔的示意圖；
圖5b是在該裝置的第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器靜止時形成的渦流腔的示意圖；
圖6是包括一個實施方式的用于產(chǎn)生渦流腔的裝置的等離子體壓縮系統(tǒng)的示意性截面圖。
具體實施方式
本文中所描述的本發(fā)明的實施方式涉及一種能夠在旋轉(zhuǎn)的流體(“旋轉(zhuǎn)流體”)中產(chǎn)生渦流腔的裝置。該裝置能夠應(yīng)用于等離子體壓縮系統(tǒng)中，例如應(yīng)用于generalfusion公司開發(fā)的系統(tǒng)中。該裝置一般包括具有流體噴射入口和與該入口間隔開的流體排出口的容器。入口聯(lián)接至流體泵，該流體泵可以操作成控制容器中的流體的精確量并且還可以使流體在容器中循環(huán)并在流體中形成渦流腔。泵可以操作成通過改變?nèi)萜鲀?nèi)的流體的量來控制渦流腔的尺寸/幾何形狀。該裝置還包括位于容器的一個端部(“第一端部”)處的第一旋轉(zhuǎn)器和位于容器的另一端部(“第二端部”)處的第二旋轉(zhuǎn)器。第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器各自包括可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，該可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件具有面向渦流的表面以使得所形成的渦流可以“坐置”在旋轉(zhuǎn)器表面上；第一旋轉(zhuǎn)器和第二旋轉(zhuǎn)器能夠以與渦流大致相同的速度旋轉(zhuǎn)，這可以防止在渦流表面上形成高頻波紋。第二旋轉(zhuǎn)器可以以預(yù)定的距離布置在排出口上方以防止渦流延伸至出口。這種布置還可以防止在渦流中形成剪切層。流體可以是例如熔融鉛的液體或例如液體-固體懸浮液的液體混合物甚至是氣體。渦流腔可以包括氣體、等離子體或真空。
前幾年在generalfusion公司進行的調(diào)查已表明，最初存在于液/氣界面(特別是具有高波數(shù)的液/氣界面)上的任何缺陷都可能引發(fā)流體動力學(xué)的不穩(wěn)定性并且影響等離子體在腔坍縮期間的壓縮效率。圖1示出了在generalfusion公司進行的模擬的示例，其示出了流體動力學(xué)不穩(wěn)定性在氣體(渦流)腔由于氣液界面處的不同幅度的初始擾動而坍縮的期間的演變。圖1a示出了在壓力波到達界面2之前具有用曲線2示出的氣/液界面的渦流腔4。如可以注意到的，在界面2處存在一些小的初始擾動。當(dāng)壓力波使腔4坍縮時(見圖1b)，這種初始擾動會引起由曲線3示出的流體動力學(xué)不穩(wěn)定性。圖1c示出了具有比圖1a中所示的示例更高幅度的初始擾動的氣/液界面(曲線6)的另一示例。由于界面6處的初始擾動較大，因此一旦壓力波使腔4坍縮，這種初始擾動就會導(dǎo)致界面的更強烈的變形(見圖1d)。如可以在圖1d中注意到的，界面6處的初始擾動會導(dǎo)致在如由曲線7表示的氣/液界面處形成尖銳的尖峰和氣泡。因此，清楚的是所產(chǎn)生的渦流腔的高質(zhì)量——例如，旋轉(zhuǎn)的液體與氣體或真空渦流腔之間的液/氣界面或液體/真空界面的平滑度——與實現(xiàn)期望的壓縮效率相關(guān)。
圖2a和圖2b示出了本發(fā)明的渦流發(fā)生系統(tǒng)10的一個實施方式的示例。系統(tǒng)10可以是閉環(huán)式泵送系統(tǒng)，其可以包括容器12、流體循環(huán)(泵送)系統(tǒng)24(見圖2b)和至少一個排出口22，流體(“旋轉(zhuǎn)流體”)從至少一個噴射入口13噴射到容器12中。容器12可以具有用以限定容器12的內(nèi)部空間的第一端部(頂壁)11、第二端部(底壁)20和側(cè)壁30。旋轉(zhuǎn)流體通過入口13切向地噴射到容器12中并且通過出口22從容器12的第二端部20排出。所述至少一個噴射入口定位在容器的赤道平面上(或者靠近容器的赤道定位)并且遠離端部11和20。所述至少一個排出口22形成在第一端部11或第二端部20中的一者處，并且與所述至少一個噴射入口13間隔開。在所示示例中，排出口22形成在第二端部20中，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解入口端口13和/或排出口22可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下定位在任何其他適當(dāng)位置處，只要容器12內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流體轉(zhuǎn)動成使得噴射角動量使得可以在這種容器內(nèi)產(chǎn)生渦流腔40即可。例如，排出口22可以定位在頂部(第一端部11)處或者流體可以通過形成在兩個端部11、20處的排出口22排出。
在容器12中諸如例如第一端部11附近以可旋轉(zhuǎn)的方式安裝有第一旋轉(zhuǎn)器17，而在某一距離處以可旋轉(zhuǎn)的方式安裝有與第一旋轉(zhuǎn)器17相反并面向第一旋轉(zhuǎn)器17的第二旋轉(zhuǎn)器18。兩個旋轉(zhuǎn)器17、18可以包括以與流體的局部切向流速相同的速度旋轉(zhuǎn)的可旋轉(zhuǎn)相向表面17a、18a。第一旋轉(zhuǎn)器17和第二旋轉(zhuǎn)器18可以同軸使得可旋轉(zhuǎn)相向表面17a面向可旋轉(zhuǎn)相向表面18a，從而使得渦流腔的一個端部坐置在相向表面17a上而渦流的相反端部坐置在相向表面18a上。所述至少一個排出口22定位在第二旋轉(zhuǎn)器18的下方的預(yù)定距離處。其原因是在流體排出附近形成有豎向速度分量的高梯度(剪切層)而使得系統(tǒng)中的任何預(yù)先存在的擾動(干擾)都可能由于這些剪切層而被快速放大。剪切層可以形成在一定的徑向距離(該徑向距離與排出孔的半徑相關(guān))處并且可以延伸至出口22上方的一定距離處。因此，排出口附近的旋轉(zhuǎn)器需要定位在與排出口相距足夠的距離處以不限制排出口處的流動，使得在任何時候噴射到容器12中的流體的量都可以與從容器排出的流體的量一致，從而保持容器中的旋轉(zhuǎn)的流體的量恒定。與排出口相距更遠的旋轉(zhuǎn)器例如第一旋轉(zhuǎn)器17可以以與壁相距足夠的間隔的方式安裝至該壁(例如，安裝在第一端部11處)以允許旋轉(zhuǎn)表面17a旋轉(zhuǎn)，或者在不背離本發(fā)明的范圍的情況下安裝在更大距離處，這是因為在第一旋轉(zhuǎn)器17附近不存在排出開口。在一個執(zhí)行方式中，系統(tǒng)10可以包括兩個排出開口，諸如例如除了位于第二端部20處的一個排出開口之外的位于第一端部11處的一個附加出口。在這種執(zhí)行方式中，兩個旋轉(zhuǎn)器17和18都定位在與相應(yīng)的排出口相距足夠的距離處，以避免限制旋轉(zhuǎn)的流體從排出口流出。排出口22與最近的旋轉(zhuǎn)器(例如第二旋轉(zhuǎn)器18)之間的距離可以由旋轉(zhuǎn)器的尺寸與排出口的尺寸的比確定。例如，如果排出口22的尺寸(半徑)小于最近的旋轉(zhuǎn)器(第二旋轉(zhuǎn)器18)的尺寸(半徑)，則這樣的旋轉(zhuǎn)器應(yīng)該與排出口22相距更遠地定位、即定位在與排出口22相距更大距離處，這是因為旋轉(zhuǎn)器可能限制流體流動導(dǎo)致增大的速度。如果排出口22的尺寸(半徑)大于最近的旋轉(zhuǎn)器的尺寸，則出口22與這種旋轉(zhuǎn)器之間的距離可以更小，使得例如旋轉(zhuǎn)的相向表面18a略微高于排出口22。例如，對于具有外半徑大約為6.2cm、內(nèi)半徑大約為3.2cm的環(huán)形排出口和半徑大約為4.6cm的旋轉(zhuǎn)器的裝置10來說，旋轉(zhuǎn)器與排出口之間的距離可以是大約2.5cm。
所述至少一個排出口22可以與第一旋轉(zhuǎn)器17和第二旋轉(zhuǎn)器18大致同軸。例如，所述至少一個排出口22可以是形成在第二端部20中的圓形開口(孔)或者是形成在第二端部20中的環(huán)孔，并且可以與第一旋轉(zhuǎn)器17和第二旋轉(zhuǎn)器18大致同軸，使得環(huán)孔的中心可以位于旋轉(zhuǎn)器17、18的軸線上。在一個執(zhí)行方式中，排出口22可以包括布置成環(huán)孔的多個小開口，使得環(huán)孔的中心可以位于第一旋轉(zhuǎn)器17和第二旋轉(zhuǎn)器18的軸線上。
容器12的內(nèi)部空間可以部分地填充有旋轉(zhuǎn)流體，諸如例如液體介質(zhì)。最初，系統(tǒng)10可以填充有基于預(yù)期的渦流尺寸和系統(tǒng)參數(shù)計算出的預(yù)定體積的旋轉(zhuǎn)流體。泵送系統(tǒng)24可以包括一個或更多個流體泵26(圖6)，所述一個或更多個流體泵26可以開始泵送旋轉(zhuǎn)流體以使該旋轉(zhuǎn)流體在容器12的內(nèi)部空間中循環(huán)。流體泵26可以與所述至少一個噴射入口13聯(lián)接以使得泵26能夠?qū)⑿D(zhuǎn)流體噴射到容器12的內(nèi)部空間中，使得旋轉(zhuǎn)流體在容器中以足夠的角動量旋轉(zhuǎn)以形成在第一旋轉(zhuǎn)器17與第二旋轉(zhuǎn)器18之間延伸的渦流腔40。渦流腔40的半徑小于第一旋轉(zhuǎn)器17和第二旋轉(zhuǎn)器18的半徑。流體循環(huán)系統(tǒng)24還可以包括管道網(wǎng)28(參見圖2b和圖6)，管道網(wǎng)28流體地聯(lián)接至所述一個或更多個流體泵26以及所述至少一個流體噴射入口13和所述至少一個流體排出口22以使得從容器12經(jīng)由所述至少一個流體排出口22排放的旋轉(zhuǎn)流體經(jīng)由所述至少一個流體噴射入口13再循環(huán)回到容器12中。出口22與泵送系統(tǒng)24之間的直接連接確保了固定量的旋轉(zhuǎn)流體在系統(tǒng)10中循環(huán)。容器12可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下呈圓筒形、球形或任何其他適當(dāng)?shù)男螤罨虺叽?，只要泵送系統(tǒng)、所述至少一個噴射入口和所述至少一個排出口構(gòu)造成使得旋轉(zhuǎn)流體以足夠的角動量旋轉(zhuǎn)以形成渦流腔并且使得流體排放不受限制并遠離最近的旋轉(zhuǎn)器即可。
第一旋轉(zhuǎn)器17可以是半徑可以等于或大于第二旋轉(zhuǎn)器18的半徑的盤形件(在所形成的渦流腔40具有略微呈圓錐形的形狀情況下)；反之亦然，在系統(tǒng)10的倒置構(gòu)型中，第二旋轉(zhuǎn)器18可以具有比第一旋轉(zhuǎn)器17的半徑大的半徑。第二旋轉(zhuǎn)器18也可以是盤形件。兩個旋轉(zhuǎn)器17和18都具有比渦流腔的預(yù)期半徑大的半徑以使得渦流腔40可以坐置在所述兩個旋轉(zhuǎn)器17和18之間。渦流腔的一個端部可以坐置在第一旋轉(zhuǎn)器17的相向表面17a上，而渦流腔的相反端部可以坐置在第二旋轉(zhuǎn)器18的相向表面18a上。
在一個執(zhí)行方式中，容器12還可以包括第一室14和通過分隔壁15而與第一室14分離的第二室16。第一旋轉(zhuǎn)器17和第二旋轉(zhuǎn)器18以使得第一旋轉(zhuǎn)器17安裝在第一端部11附近而第二旋轉(zhuǎn)器18安裝在分隔壁15附近的方式定位在第一室14內(nèi)。泵26將旋轉(zhuǎn)流體噴射到第一室14中。可以在分隔壁15中形成至少一個開口19以使得噴射到第一室14中的旋轉(zhuǎn)流體通過開口19排出到第二室16中。旋轉(zhuǎn)流體隨后通過排出口22從第二室16移除。開口19可以具有圓形或環(huán)形的形狀或者任何其他適當(dāng)?shù)男螤?，只要開口19位于最近的旋轉(zhuǎn)器例如第二旋轉(zhuǎn)器18的下方的預(yù)定距離處即可。在一個執(zhí)行方式中，開口19可以是形成在分離壁15中、在最近的旋轉(zhuǎn)器(例如，第二旋轉(zhuǎn)器18)下方的多個開口19。第二旋轉(zhuǎn)器18可以定位在開口19的上方的預(yù)定距離處以避免在流體排出附近形成剪切層。
旋轉(zhuǎn)器的位置和/或尺寸應(yīng)該使得該旋轉(zhuǎn)器不阻礙旋轉(zhuǎn)流體的有效排出。例如，第二旋轉(zhuǎn)器18的半徑可以略微小于排出開口即開口19的半徑。在一個執(zhí)行方式中，第二旋轉(zhuǎn)器18的半徑可以大于開口19的半徑并且有效排出可以通過將第二旋轉(zhuǎn)器18與開口19相距更遠地定位(定位在開口19上方)來提供，使得旋轉(zhuǎn)器18的尺寸不會妨礙有效排出。
旋轉(zhuǎn)器17和18中的每一者均可以連接至以下馬達(參見圖6中的馬達27)：該馬達可以構(gòu)造成使旋轉(zhuǎn)器17和18在一定速度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在一個執(zhí)行方式中，旋轉(zhuǎn)器17和18中的每一者均可以由單獨的馬達來驅(qū)動以使得第一旋轉(zhuǎn)器17可以獨立于第二旋轉(zhuǎn)器18旋轉(zhuǎn)。因此，旋轉(zhuǎn)器17和18中的每一者均可以以旋轉(zhuǎn)流體與渦流腔的液/氣界面或液體/真空界面(在系統(tǒng)10被抽真空的情況下)的局部切向流速進行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)渦流腔的端部接觸靜止的壁(例如未旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)器17、18的表面17a、18a)時，在旋轉(zhuǎn)器17、18處由于壁17a、18a上的無滑動(零速度)條件而形成剪切層。這些剪切層可能是在渦流界面上形成高頻波紋的原因。將旋轉(zhuǎn)器17、18的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)成與渦流的表面上的局部轉(zhuǎn)速相匹配用以消除這些剪切層并且抑制(防止)波紋的形成。在一個執(zhí)行方式中，系統(tǒng)10可以包括控制器，該控制器與馬達27通信以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)器17和18的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)器17、18可以以相同或不同的速度旋轉(zhuǎn)，該速度被謹慎地調(diào)節(jié)成與流體的局部流速相匹配以使得所產(chǎn)生的渦流的表面光滑并且沒有任何波紋。在大致圓筒形渦流腔的情況下，兩個旋轉(zhuǎn)器17和18可以以相同的速度旋轉(zhuǎn)并且因此可以由同一馬達驅(qū)動。旋轉(zhuǎn)器17和18可以與由這種馬達驅(qū)動的軸21連接。在一個執(zhí)行方式中，馬達可以被省略并且旋轉(zhuǎn)器17和/或18可以通過流體運動來驅(qū)動。例如，旋轉(zhuǎn)器17、18可以包括多個翅片23，所述多個翅片23連接至相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)器17、18的底表面17b、18b并且背離底表面17b、18b延伸以使得所述多個翅片大致垂直于旋轉(zhuǎn)流體的旋轉(zhuǎn)方向定向，從而使得翅片23可以提供用以使旋轉(zhuǎn)器17、18以期望速度轉(zhuǎn)動的摩擦表面。
圖3a是圖2a和圖2b的渦流發(fā)生系統(tǒng)10的計算機生成的數(shù)值模型的示意性立體圖。已經(jīng)進行了許多模擬以探索系統(tǒng)10的不同參數(shù)及其在等離子體壓縮系統(tǒng)200(圖6)中的執(zhí)行方式。利用開源計算流體力學(xué)軟件
圖3b示出了渦流發(fā)生系統(tǒng)10的另一實施方式的計算機生成的數(shù)值模型的示意性立體圖，而圖4b是圖3b中所示的裝置中的渦流形成的示意性立體圖。本實施方式還可以包括作為圖3a的裝置的兩個旋轉(zhuǎn)器。第一旋轉(zhuǎn)器17可以是盤形件(類似于圖2a和圖3a的盤形件17)，而第二旋轉(zhuǎn)器180可以是旋轉(zhuǎn)中空管或具有中心開口的環(huán)形件。在圖3b所示的實施方式中，第二旋轉(zhuǎn)器180是具有被實心邊緣50包圍的中心開口的中空管。中空管180可以具有帶底端部180b、可旋轉(zhuǎn)相向表面(頂端部)180a和在端部180a與端部180b之間延伸的側(cè)壁180c的圓筒形或圓錐形的形狀或者任何其他適當(dāng)?shù)男螤罨蚱浣M合。側(cè)壁180c的厚度限定管180的中心開口和固定邊緣50在相向表面180a處的寬度。實心邊緣50在相向表面180a處的寬度應(yīng)當(dāng)足以支承渦流腔。一旦渦流腔形成，該渦流腔就可以坐置在管180的實心邊緣50上。在一個實施方式中，第一旋轉(zhuǎn)器還可以是類似于旋轉(zhuǎn)器180的中空管或環(huán)形件170(參見圖6)。兩個旋轉(zhuǎn)器都可以通過馬達27(圖6)而轉(zhuǎn)動或者可以通過流體旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動。如圖3b和圖4b中所示，只要旋轉(zhuǎn)的相向表面180a略微高于開口19，第二旋轉(zhuǎn)器180的底端部180b可以延伸到容器12的第二室16中。在替代性執(zhí)行方式中，第二室16的底部部分可以填充有多個分隔擋板室250，其可以在旋轉(zhuǎn)流體從第二室16通過出口22排出之前使旋轉(zhuǎn)流體的旋轉(zhuǎn)流動分散并“平靜下來”。如圖3b和圖4b中所示，擋板室250可以通過多個翼片260而形成，所述多個翼片260安裝在底壁20的內(nèi)側(cè)部上以使得翼片260從底壁20向上突出到第二室16中從而形成擋板室250。來自擋板室250的旋轉(zhuǎn)流體可以通過排出口22流動到循環(huán)系統(tǒng)24中。在一個實施方式中，翼片260可以被省略或者安裝到循環(huán)系統(tǒng)24的管道網(wǎng)28中以使得旋轉(zhuǎn)流體的流動減慢。
圖5a是在裝置10的第一旋轉(zhuǎn)器17和第二旋轉(zhuǎn)器18以預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)時形成的渦流腔的示意圖。容器12填充有水——即，旋轉(zhuǎn)流體是水——使得可以容易地觀察到渦流形成過程。圖5b是在裝置10的第一旋轉(zhuǎn)器17和第二旋轉(zhuǎn)器18靜止時形成在旋轉(zhuǎn)的水中的渦流腔的示意圖。如圖5a中所示，在兩個旋轉(zhuǎn)器17和18以預(yù)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時形成于第一旋轉(zhuǎn)器17與第二旋轉(zhuǎn)器18之間的渦流腔40具有平滑的且沒有波紋的壁。另一方面，如圖5b中所示，當(dāng)?shù)谝恍D(zhuǎn)器17和第二旋轉(zhuǎn)器18靜止時，所產(chǎn)生的渦流腔40包括具有明顯示出的波紋的不穩(wěn)定表面。
圖6示出了采用渦流發(fā)生系統(tǒng)10的等離子體壓縮系統(tǒng)200的示例。系統(tǒng)200包括等離子體壓縮室120，等離子體壓縮室120具有限定等離子體壓縮室120的內(nèi)部空間140的外壁。室120的內(nèi)部空間可以部分地填充有旋轉(zhuǎn)流體，諸如例如液體介質(zhì)。液體介質(zhì)可以是熔融金屬，例如鉛、鋰或鈉或者這些金屬的合金、組合或混合物。室120包括下述的至少一個開口：等離子體發(fā)生器220的尖端可以插入到所述至少一個開口中以將等離子體噴射到室120中的渦流腔40中。開口可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下形成在室120的極點處或者形成在赤道表面上或任何其他適當(dāng)?shù)奈恢?。如本文中在上面所提及的，?20可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下具有不同的尺寸和形狀。例如，等離子體壓縮室120可以是圓筒形的、球形的、橢圓形的、圓錐形的或任何其他適當(dāng)?shù)男螤罨蚱浣M合。室120可以利用泵送系統(tǒng)(未示出)被至少部分地抽真空。
多個壓力波發(fā)生器280可以構(gòu)造成在被容納于室120內(nèi)的介質(zhì)中產(chǎn)生壓力波。壓力波發(fā)生器280可以通過撞擊室120的外壁而在介質(zhì)中產(chǎn)生壓力波。等離子體發(fā)生器220可以是用于產(chǎn)生隨后噴射到壓縮室120中的等離子體并使等離子體加速的兩級馬歇爾槍型噴射器。等離子體可以呈緊湊的環(huán)形(ct)例如球馬克(spheromak)，球馬克是具有環(huán)向磁場和極向磁場的自維持環(huán)形等離子體。在其他實施方式中，ct可以是等離子體的場反向構(gòu)型(frc)——其還具有環(huán)形磁拓撲，但是可以在軸向方向上更細長而使得外表面類似于長橢圓體，并且其具有帶較小環(huán)形磁場分量或零環(huán)形磁場分量的極向磁場——或者任何其他緊湊的環(huán)形構(gòu)型例如托卡馬克、仿星器或反向場箍縮(rfp)。等離子體發(fā)生器220以液密封的方式對準并插入到形成在室120的外壁中的開口中。在所示示例中，室120具有位于其各個極點處的兩個開口使得存在兩個發(fā)生器220(每個開口一個發(fā)生器220)。在發(fā)生器220中的每個發(fā)生器220中產(chǎn)生的等離子體噴射到利用如本文中在上面所描述的渦流發(fā)生系統(tǒng)形成在第一旋轉(zhuǎn)器170與第二旋轉(zhuǎn)器180之間的渦流腔40中。所噴射的兩束等離子體隨后可以在渦流腔40內(nèi)合并。
圖6還示出了構(gòu)造為環(huán)形件的第一旋轉(zhuǎn)器170和構(gòu)造為中空管的第二旋轉(zhuǎn)器180。旋轉(zhuǎn)器170和180還可以包括可動蓋210，可動蓋210構(gòu)造成在形成渦流腔40并使渦流腔40穩(wěn)定的操作期間覆蓋相應(yīng)的相向端部170a和180a。相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)器170、180的端部170b、180b可以是敞開的并且可以與等離子體發(fā)生器220流體連通以使得等離子體可以通過中空的旋轉(zhuǎn)器170、180而噴射到渦流腔40中。蓋210能夠從第一位置移動至第二位置，其中，在第一位置中，蓋210封閉相向端部170a、180a(參見圖6中的第二旋轉(zhuǎn)器180，其示出了蓋210覆蓋相向端部180a)，在第二位置中，相向端部170a、180a敞開(參見第一旋轉(zhuǎn)器170，示出了蓋210縮回到縫240內(nèi))。因此，一旦穩(wěn)定的渦流40坐置在由第一旋轉(zhuǎn)器170和第二旋轉(zhuǎn)器180的實心邊緣50支承的第一旋轉(zhuǎn)器170和第二旋轉(zhuǎn)器180之間，蓋210就可以縮回到凹槽或縫240中?？p240可以形成在相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)器170、180的側(cè)壁的內(nèi)側(cè)處，使得蓋210可以在處于第二位置時縮回到這樣的縫內(nèi)。蓋210能夠利用驅(qū)動件(未示出)——該驅(qū)動件可以是電驅(qū)動件或機械驅(qū)動件——而在其第一位置與其第二位置之間移動。蓋210的驅(qū)動可以由控制器(未示出)控制，該控制器可以觸發(fā)驅(qū)動件驅(qū)動蓋210封閉或敞開相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)器170、180的端部170a、180a。為了利用系統(tǒng)10產(chǎn)生穩(wěn)定的渦流腔，蓋210可以處于其封閉相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)器170、180的相向端部170a、180a的第一位置。該系統(tǒng)可以填充有基于預(yù)期的渦流尺寸計算和系統(tǒng)參數(shù)計算出的預(yù)定體積的流體。
在一種操作模式中，泵送系統(tǒng)24可以開始泵送旋轉(zhuǎn)流體、使該旋轉(zhuǎn)流體循環(huán)并且由于旋轉(zhuǎn)流體的旋轉(zhuǎn)流動而形成渦流腔40。在排出口22上方存在旋轉(zhuǎn)器(旋轉(zhuǎn)的或靜止的)用以防止渦流腔40延伸到排出口22中。排出口22可以是圍繞室的開口而形成的環(huán)孔，等離子體發(fā)生器220的尖端以液密封的方式插入室的開口；該環(huán)孔的中心可以位于旋轉(zhuǎn)器170、180的軸線上。旋轉(zhuǎn)器170、180可以以與旋轉(zhuǎn)流體/渦流腔界面(液/氣界面或液體/真空界面)的速度相匹配的速度旋轉(zhuǎn)，這用以消除邊界層在旋轉(zhuǎn)器170、180的壁(相向表面170a、180a)上的形成，這又用以防止在渦流表面上形成高頻波紋。一旦穩(wěn)定的渦流腔40坐置在旋轉(zhuǎn)器170、180之間，蓋210就縮回至其第二位置使得旋轉(zhuǎn)器170和180的端部170a、180a敞開，從而使得渦流腔40與等離子體發(fā)生器220連通并且等離子體可以插入到渦流腔40中。
在圖6中所示的一個執(zhí)行方式中，可以將室270(室270具有大容量以形成自由表面)形成在泵26之前以使得流體流動可以在室270處分散并減慢以消除在流體進入泵26之前可能在流體流動中出現(xiàn)的任何被捕獲的氣泡。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，所形成的渦流腔40可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下豎向地或水平地定向(如圖2至圖6中所示)。例如，旋轉(zhuǎn)器17、170和18、180可以安裝在室12、120的側(cè)壁處以使得流體可以從形成在室12、120的底部和/或頂部處的多個端口13噴射到室中，同時使得流體可以從形成在室12、120的側(cè)壁處的排出開口排出。室內(nèi)的流體的旋轉(zhuǎn)流量需要足夠高以克服重力從而成功地產(chǎn)生水平地延伸并且坐置在如此定位的旋轉(zhuǎn)器17/170與旋轉(zhuǎn)器18/180之間的渦流腔。
所描述的渦流發(fā)生系統(tǒng)的示例可以被用在等離子體壓縮系統(tǒng)中以使得插入到渦流腔40中的等離子體可以被由壓力波發(fā)生器280產(chǎn)生的會聚的壓力波壓縮。這種會聚的壓力波使渦流腔40坍縮從而壓縮被捕獲在渦流腔40中的等離子體。此外，可以出于研究目的將這些系統(tǒng)用于研究渦流形成、動力學(xué)和相互作用或者用在各種顆粒分離系統(tǒng)中。
盡管已經(jīng)示出并描述了本公開的特定元件、實施方式和應(yīng)用，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，本公開的范圍不限于此，這是因為可以在不背離本公開的范圍的情況下、特別是根據(jù)前述教導(dǎo)做出修改。因此，例如，在本文中所公開的任意方法或過程中，構(gòu)成該方法/過程的動作或操作可以以任何適當(dāng)?shù)捻樞驁?zhí)行并且不一定限于任何特定的公開順序。各元件和部件可以在不同實施方式中以不同方式進行構(gòu)造或布置、組合和/或省略。上述的各個特征和過程可以彼此獨立地使用，或者可以以不同方式進行組合。所有可能的組合和子組合均意在落入本公開的范圍內(nèi)。在本公開內(nèi)容中對“一些實施方式”、“實施方式”等的引用意味著結(jié)合實施方式所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)、步驟、過程或特性被包括在至少一個實施方式中。因此，本公開中的短語“在一些實施方式中”、“在實施方式中”等的出現(xiàn)不一定全部指相同的實施方式，而是可以指相同或不同的實施方式中的一個或更多個實施方式。實際上，本文中所描述的新穎的方法和系統(tǒng)可以以各種其他形式實施；此外，可以在不背離本文中所描述的本發(fā)明的精神的情況下對本文中所描述實施方式的形式做出各種省略、添加、替換、等同替代、重新布置以及改變。
已經(jīng)適當(dāng)?shù)孛枋隽藢嵤┓绞降母鱾€方面和優(yōu)點。應(yīng)當(dāng)理解的是，根據(jù)任何特定實施方式，不一定所有這些方面或優(yōu)點都可以實現(xiàn)。因此，例如，應(yīng)當(dāng)意識到的是，可以以實現(xiàn)或優(yōu)化如本文中所教導(dǎo)的一個優(yōu)點或一組優(yōu)點而非一定實現(xiàn)如本文中可能教導(dǎo)或提出的其他方面或優(yōu)點的方式來執(zhí)行各種實施方式。
除非另有具體地陳述或者另外如所使用的在上下文中理解的，否則本文中所使用的條件語言——例如其中，“能夠”、“能”、“可能”、“可以”、“例如”等——一般意在傳達某些實施方式包括而其他實施方式不包括某些特征、元件和/或步驟。因此，這種條件語言一般無意于暗示一個或更多個實施方式在任何情況下都需要這些特征、元件和/或步驟，或者暗示一個或更多個實施方式必須包括用于在具有或沒有操作者輸入或提示的情況下判斷在任一特定實施方式中是否包括或要執(zhí)行這些特征、元件和/或步驟的邏輯。并非任何特定實施方式都需要單一特征或特征組，或者該單一特征或特征組對任何特定實施方式來說并非都是必不可少的。術(shù)語“包括”、“包含”、“具有”等是同義的并且以開放式的方式包容性地使用，并且不排除附加元件、特征、動作、操作等。另外，術(shù)語“或”以其包容性意義(而不是其排他性意義)使用以使得在被用來例如連接一系列元件時術(shù)語“或”意指系列中的一個元件、一些元件或所有元件。
除非另有具體地陳述，否則結(jié)合措辭例如短語“x、y和z中的至少一者”結(jié)合上下文以通常所使用的方式被理解為表示某項目、術(shù)語等可以是x、y或z。因此，這種結(jié)合措辭一般無意于暗示某些實施方式要求分別存在x中的至少一者、y中的至少一者和z中的至少一者。
本文中所描述的實施方式的示例性計算、模擬、結(jié)果、圖表、值以及參數(shù)意在說明而非限制所公開的實施方式。其他實施方式可以以與本文中所描述的說明性示例不同的方式構(gòu)造和/或操作。實際上，本文中描述的新穎方法和裝置可以以各種其他形式實施；此外，可以在不背離本文中公開的本發(fā)明的精神的情況下對本文中所描述的方法和系統(tǒng)的形式做出各種省略、替換和改變。
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