[發明專利]用于提供非對稱振蕩的裝置和方法

有效

• 申請號: 201480014585.0
• 申請日: 2014-02-11
• 公開（公告）號: CN105008006B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 安德魯·E·布洛什
• 申請（專利權）人: 安德魯·E·布洛什
• 主分類號: B01F11/00
• 分類號: B01F11/00;B01F15/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 魏金霞;楊穎

本發明公開了用于對容器提供非對稱振蕩的裝置和方法。容器可以包含流體、微粒和/或氣體。附接至容器的振動驅動器提供非對稱振蕩。連接至振動驅動器的控制器控制非對稱振蕩的振幅、頻率以及形狀。放大器響應于控制器放大非對稱振蕩。布置在振動驅動器上的傳感器為控制器提供反饋。

技術領域

本發明總體上涉及使固體微粒或流體泡沫在流體環境中漂浮、懸浮、移動、流體化或混合。更具體地，本發明涉及通過適當的非正弦振動使固體微粒或流體泡沫在流體的環境中漂浮、懸浮、移動、流體化或混合的裝置及方法。

背景技術

存在有多個現有的用于使微粒在流體(液體或氣體)中漂浮或懸浮的方法。漂浮方法包括使用電磁力、靜電力、聲學力以及空氣動力。電磁方法和靜電方法只能使具有恰當電磁性能的材料漂浮而不能使流體中的氣體泡沫漂浮。聲學漂浮方法對更廣泛的材料有效，但是該材料只能在特定的聲學節點處漂浮并不能遍布于整個體積。空氣動力的漂浮需要空氣或其他流體的凈向上的定向流以保持微粒懸浮，并不能同時使泡沫和固體微粒在流體內漂浮。

多個微粒在流體中的懸浮——也稱為流體化——還可以通過容器或流體在超過重力加速度的加速度下的振動來實現的。當使用低頻振動時，微粒主要通過與容器的底部碰撞或者與其他微粒碰撞而被給予能量。超聲波振動通過聲波穿過體相流體傳遞能量，這可以使微粒加速并且保持這些微粒懸浮或使液體的均勻化達到一定水平，該均勻化水平在振動結束會持續很久。然而，如果微粒是較大的或稠密的則所需的能量會比較高，并且不期望的氣穴會經常發生。

自從20世紀50年代或者更早，已知的是氣體泡沫可以在受到低頻(大約100Hz)豎向振動的液體中漂浮。該漂浮被認為部分地由于隨著泡沫在液體內上下運動的泡沫體積振蕩而產生的。關于這種主題的文獻中的力學方程的解預測出泡沫會漂浮在距離液體頂部的一定高度處，這取決于振蕩頻率和其他因素而非振幅(相比于由于重力引起的加速度，只要加速度的振幅稍微較大)。然而，研究人員已經發現振動的振幅會有一定影響，盡管他們還沒有解釋原因。

之前的研究人員已經關于作用在空氣泡沫上的拖曳力(或者完全忽略拖曳力)做出了假設，所述假設導致了拖曳力本身并不影響漂浮的錯誤結論。然而，作用在泡沫上的拖曳力可以是復雜的并且通常關于速度不是線性的。尤其是，隨著振動的振幅增加，泡沫的最大速度可以增大到拖曳力與速度的平方更成比例的范圍中。換句話說，泡沫具有高的雷諾數。研究人員還沒有考慮非正弦振動的效應，可能由于研究人員錯誤地假定響應是線性的。

目前通用的振動測試過程是單頻測試、正弦掃頻測試、隨機測試和跌落測試或沖擊測試。這些測試不足以揭示由響應于一些真實世界的非正弦振動的非線性振動引起的顯著缺陷(或特征)。可以通過利用增強或顯露非線性振動響應的非正弦振動來極大地改善振動測試。能夠極大地受益于改善的振動測試的一個特別的行業是包括電池系統、機載燃料儲存和傳輸系統以及其他多相系統的航空航天行業。缺乏充足的振動測試會有嚴重的后果，會導致航空災難和飛行器著陸成本高。

目前的用于氣穴的研究或使用的設備和方法具有有限的能力以獨立于振動的其他影響來控制氣穴的強度或可能性。通常，通過單頻驅動的超聲波換能器浸在流體中并且超聲處理的效應集中在換能器的表面附近。可以通過減小功率或其他參數以及降低超聲處理的其他期望的效應來減少或消除氣穴。為了實現單泡沫的聲致發光，研究人員通常通過需要非常特殊的驅動頻率的聲壓駐波使單個泡沫漂浮并且使單個泡沫穩定。最近開發的另一種方法通過使用其中大約半滿液體的“水錘管”實現了穩定的聲致發光。通過單頻外部驅動，會夾帶一些泡沫并且所述泡沫受到“負”浮力作用而下降至管的底部。在不改變振動的頻率或振幅的情況下這種效應無法得到控制，該效應影響泡沫的尺寸以及泡沫的聲致發光。