[科普中国]-射流逻辑器件

基本概念

射流（jet），指流体从管口、孔口、狭缝射出，或靠机械推动，并同周围流体掺混的一股流体流动。经常遇到的大雷诺数射流一般是无固壁约束的自由湍流。这种湍性射流通过边界上活跃的湍流混合将周围流体卷吸进来而不断扩大，并流向下游。

射流技术（fluidics），一项自动控制技术。在压力作用下从喷嘴喷射出来的气流或液流称为射流。利用射流中的某些物理现象例如卷吸现象、附壁效应等做成不同功能的射流元件，和辅件组成控制线路，使射流的方向改变，可以达到自动控制的目的，例如自动切换、时间程序控制、行程程序控制等。

射流逻辑器件，以射流作为工作介质并按流体的流动机理构成的自动化元件。射流是从喷嘴喷射出来的一束具有一定压力的气流或液流。

射流逻辑器件的分类（1）按工作介质分为气动射流元件和液压射流元件两类。

（2）按工作原理的不同,射流元件可分为模拟元件和数字元件两大类。模拟元件也称比例元件,能够将输入的主射流信号做比例变换后以射流形式输出。模拟元件的输入和输出都是连续变化的信号;相反的,数字元件的输出不是连续信号,而进行预定的阶段性变化。数字元件的输入可以是连续信号,也可以是阶跃信号。

（3）根据流体的流动机理，射流元件又分为湍流式、附壁式和动量交换式三类。

①湍流式射流元件：利用层流状态的主射流在干扰气流作用下由层流流动变为湍流流动的原理所制成，它实质上是一种多输入的“或非”射流元件。

②附壁式射流元件：利用主射流在特定形状的腔室内由于流体的卷吸作用而产生的附壁效应所制成，常见的有双稳元件、或非元件、计数触发元件等。

③动量式射流元件：利用两股射流在作用腔室内进行动量交换的原理所制成，常见的有与门元件、半价元件、比例元件等。

工作机理液压射流元件的工作原理射流元件必须与其他一些装置组成射流控制系统才能对被调参量进行自动控制。图中表示射流元件用于液位控制。当液面高度h为零时，关闭手动阀，或非射流元件的控制管没有被液面淹没。射流在J1端输出，经放大器打开薄膜调节阀，液体开始向容器进料。当液面达到要求的高度时，控制管被淹没，或非元件被切换，射流从J2端输出，通过气电转换元件使指示灯发光，表示液面高度达到要求。此时，由于J1的消失，薄膜调节阀关闭，可以打开手动阀，系统进入自动控制阶段。当液面由于流量的输出而降低时，控制管敞开，J1输出使阀打开；当液面达到要求高度时，阀又关闭，从而实现液位的自动控制1。

图1

模拟元件的工作原理以偏向型射流元件为例介绍模拟元件的工作原理。偏向型射流元件的流道如图2a所示，将这种流道加工在一块平板上，上下各用一块板密封后就制成了射流元件。其工作原理是：由能量源提供的流体经过主喷嘴后产生高速主射流，主射流喷向工作室的大空腔，在那里与侧面输入的控制流发生干涉。主射流会在控制流作用下发生偏转，从而使下游接收主射流的受流口内的流量发生变化。如此一来，对于同样的主射流，受流口可以输出不同的流量信号，完成比例变化的任务。

图2

数字元件的工作原理以附壁型射流元件为例介绍数字元件的工作原理。附壁型射流元件的流道如图2b所示，能量源提供的主射流进入工作腔后,射流会在压差作用下贴附到某一侧壁上流动。这种现象为柯安达在1932年发现,称为柯安达效应。附壁的流体只能经由附壁一侧的输出口输出，而对侧的输出口则几乎没有流体。这样，输出口就得到了两个截然不同的信号，类似于计算机逻辑，可以将这两个信号定为/开0和/关0，或者/10和/00。当需要改变信号时，只需在附壁一侧输入控制流,射流将在控制流的冲撞下发生偏转而附壁于对侧，此时输出信号也发生阶越变化，从而完成数字逻辑任务。

射流元件的优缺点优点（1）结构简单，操作安全，成本低，见效快；

（2）射流元件具有耐腐蚀、防爆等优点，所以对可能出现燃烧、爆炸和剧毒的化学液体和气体的过程，采用射流控制系统既安全可靠，又经济耐用；

（3）对于要求自动控制装置能在极端恶劣条件（如强振动、强辐照、高温等）下可靠工作的场合，射流技术尤能显示其优越性。

（4）射流元件可以做得很小，并和电子技术一样可以实现集成化。

缺点（1）反应动作比电子元件迟钝，且不能遥控；

（2）射流信号传递速度较慢，而且传输过程中信号波形容易变形，所以不宜用以组成十分复杂的控制系统；

（3）射流元件的能源也远较电源不易得到，而且无论工作与否都连续消耗能量，所以效率较低。这些缺点限制了射流元件的应用范围。

应用及发展前景射流元件在特殊场合的应用，使得很多学者对其进行了大量的研究，得到了不少新发现，尤其是液动射流冲击器在油气、地热钻井和大陆科学钻探领域的人井应用试验中取得了显著成效。射流元件可应用于液动冲击器、套管振动器、小角度旋转洒水机。与此同时，该儿件有助于石油钻井井下脉冲器的研制，可实现井底射流脉冲，更好地清洗井底，提高钻速。此外，该元件用于马路撒水、草坪喷洒能节约用水；用于喷泉，可增加其观赏性。可用于死角地方的洒水。这些产品加工容易，结构简单，成本极其低廉，操作方便，应用广泛，具有广阔的市场潜景2。

射流元件在其鼎盛时期曾被广泛应用于化工、石油、机械、电力、冶金、纺织、船舶、仪表和国防等工业方面。其后，电子控制系统如日中天，取代了大部分射流控制系统。目前，射流元件主要用于特殊工况下的温度控制，液压系统中的机械控制和流体控制，航空和军事方面的飞行体控制等。

（1）体积小巧，响应迅速

尽管与传统的机械相比，射流元件具有极高的响应速度，但仍然难以满足现代控制系统越来越高的要求。

（2）层流射流元件

紊流会引起射流的噪声，而层流则会安静的多。更为重要的是，层流元件可以侦测和产生微小的压力信号，而紊流元件只能用于高信号领域。而且，研究表明，起同样作用的层流数字逻辑元件的能量损耗几乎是紊流元件的1/10。

（3）超音速射流元件

超音速射流元件可以产生足够大的能量以完成某些特殊任务，比如导弹导向控制系统就需要瞬间产生一个强大的推力来控制导弹的转向和摆动。但超音速射流元件极为复杂，目前为止只有少量研究报道。

（4）联合电子、机械和传统气动、液动部件组成一个高效的控制系统

自20世纪60年代起，就有学者致力于纯流体控制系统的研制，但目前仍只有少量的应用。

（5）模块化、一体化、标准化

一方面，这是现代设计的基本要求；另一方面，这将使射流元件的应用更加方便。

（6）应用数值模拟技术分析射流元件内部的流动状况以指导元件的设计工作

目前为止，射流元件内部流体的流动状况仍然没有完整的理论解释，而其特殊的复杂性也为数值模拟带来不小的挑战。近年来，随着计算机技术和流体模拟软件的逐渐完善，射流元件内部流动的数值模拟有望实现。