CN1875193A - 流体循环系统 - Google Patents

Abstract

一种流体循环系统，其中所述的循环是由叶轮(34)使流体(31)中形成环形旋涡(36)并予以保持而在水体(31)中发生的，叶轮(34)是按照黄金分割或几何形状Φ设计的。

Description

流体循环系统

发明领域

本发明涉及的领域是流体力学，具体地说，涉及水体中的循环。更具体地说，本发明试图提供一种在水体中进行循环的改进系统。

背景技术

有很多应用，希望在水体中形成循环。提供循环的常见原因是为了混合，以防出现层化并且使水体与空气混合。实例在本书面说明中稍后讨论。

已经设计了很多种产生要求的循环的方法。在一个例子中，就液体的情况而言，通常将水体装进圆柱形容器中，容器中心轴垂直布置，并靠电动机驱动的叶轮的作用使液体在容器内运动。已设想出使水体转动的许多其它手段。不过，这些方法需要消耗很多能量且时常带来连带的问题。出现许多效率低下等问题是由于这样的装置未使流体按照自然界发现的自然流动的习性进行循环。

实际上，流体的流动本质上是紊流或涡流。涡环典型的滚动就像滚轮，而不像托盘。著名的流体力学家雷诺有一次对环形旋涡作了如下说明：“自然界宁可滚动而不是滑动”。

正是这一特性极大地有助于环形旋涡的效能。

发明的公开

本发明专门进行设计使流体的循环以旋涡的形式出现，最好是单个或多个涡环。

因此，本发明在于流体循环系统，其中所述的循环是靠在流体内形成并保持旋涡而在流体中产生的。

根据本发明的一个优选特征，流体的循环是在流体中以单个或多个环形旋涡的形式出现。

根据本发明一个优选特征，循环是利用设置在流体中的叶轮的转动引起的。

根据本发明一个优选特征，叶轮按照黄金分割，或几何形状Φ作设计的。

根据本发明一个优选特征，叶轮中部按黄金分割状设计而其余部分按涡旋形或其它贝壳的形状设计。

根据本发明一个优选特征，叶轮形状与环形旋涡的漏斗或中央部分内的流线或涡旋一致。

根据本发明一个优选特征，叶轮具有作用面，其轮廓符合黄金分割的至少一条对数曲线。

根据一个优选实施例，作用面沿X轴或沿Y轴或沿Z轴符合黄金分割。根据一个优选实施例，作用面沿X、Y、Z轴中的二个轴符合黄金分割。根据一个优选实施例，作用面沿X、Y、Z轴都符合黄金分割。

根据一个优选实施例，流体包括的圆柱形容器中的水体，其中心轴配置方向朝上，其中所述的叶轮放置在液体中，可绕与容器中心轴共轴的旋转轴转动。

根据另一方面，本发明在于装在容器中的水体的混合系统，该系统包括上述那种叶轮，其中所述的叶轮设计在液体中，可使容器中的液体循环。根据一个优选实施例，容器是基本圆柱形的且其中心轴朝上布置，该叶轮的目的是绕与容器中心轴基本共轴的旋转轴转动以使液体以环形旋涡形式引起循环。

根据一个优选实施例，叶轮水平安装。

根据一个优选实施例，圆柱形容器的底面是弯曲的。

根据一个优选实施例，圆柱形容器的底面是球面的。

根据一个优选实施例，容器可以是其它形状而非圆柱形的。

根据另一方面，本发明在于适用于储水器的水治理系统，该水治理系统包括的前述那种叶轮适合于在水中转动，从而形成以环形旋涡形式的水循环。

根据本发明一个优选特征，叶轮旋转轴朝上配置。

根据一个优选实施例，叶轮的旋转轴是基本垂直的。

根据一个优选实施例，储水器是与供水网相连的水塔，水循环宜用于中止或防止水体中形成分层。

根据一个优选实施例，储水器是水池，且水循环宜用于促使整个水体的曝气(充气)。

根据一个优选实施例，流体是气体。

本发明将根据下述的几个特定实施例获得较充分的了解。

附图简要说明

本说明书参照附图进行说明，其中：

图1是环形旋涡的示意图；

图2a是在实施例中使用的典型叶轮的等视轴图；

图2b是在实施例中使用的与图2a所示不同的叶轮的侧视图；

图3是图2a的叶轮按照实施例旋转时与流体相互作用的示意图；

图4是图2a的叶轮根据第一实施例使容器的液体循环时的示意图；

图5是图2a的叶轮根据第二实施例所述循环时水塔的示意图；

图6是图2a的叶轮根据第三实施例所述使水循环时水池的示意图。

特定实施例的详细说明

本申请人先前根据自然原理设计的叶轮已公开在国际申请PCT/AU96/00427(WO97/03291)(该项申请现已发展成US5,934,877等)，PCT/AU00/01438(WO01/38697)及PCT/AU03/00002(WO03/056139)中。在书面说明中描述的各实施例中的叶轮，无论从哪方面看按黄金分割设计，或其中央按黄金分割而其余部分按螺旋线或其它贝壳形状设计的，因此每个实施例的特征在于，叶轮提供的流体通道是螺旋形的且通常至少符合黄金分割的特征。尽管经观察，在这些书面说明中公开的转子适用于泵、涡轮、风机、螺旋浆等，但业已发现，至少有一些实施例中允许在流体中的固定位置上转动，使流体循环，并且发现经短暂时间后循环采取环形旋涡的形式。

环形旋涡是一种令人感兴趣的机理，其实例示于图1。在自由环境中，环形旋涡11呈环形，中央为漏斗形区域12。涡线13试图给予环形旋涡中的液流以凹陷，虽然必须懂得，通过二维的图形这是不可能看到的。烟圈便是环形旋涡的一个实例，一旦形成，环形旋涡只需很少的能量投入即可长期维持。它的流动结构中流体的流速在外周最慢。第三，由于其独特的多向流，对流体的混合十分有力、有效。实施例中从这些特性获得的好处见下述。

它还能达到谐振点而积累能量，从而经过一定时间后可降低为维持环形旋涡所需的能量投入。

本发明所有实施例均包括一个在流体中产生遵循环形旋涡路线的循环的系统。环形旋涡是流体作环状流体的天然优选，最为常见，最有效的方式。它与其它流动方式作比较是十分有效的机制，它的几个有利的特性，见下述。

一旦形成，它的惯性成为包括液体流场和叶轮在内的“流动装置”的主要部分，所有这些共同具有同样的运动路线，即基本上是径向的层流路线。

虽然可以用许多不同方法使流体按环形旋涡循环流动，但这些实施例的共同特征是，利用按照上述的本发明人在先前申请中公开的原理设计的叶轮使流体循环，叶轮表面按黄金分割设计。这样的叶轮的特征是，形成叶轮的表面，其弯曲部分采取二维或三维的形状，这基本上符合“黄金分割”的特征，其横截面积的任何变化也基本符合“黄金分割”的特征。

业已发现特别适合的叶轮，其实例示于图2a和2b。在这二个图中，叶轮设计成螺环形，所包括的叶轮21有双叶片22，它们的形状是螺旋形，作用面23、24基本上符合“黄金分割”的形状且它适合于支承在由电动机驱动的中心轴25上。这些叶轮的叶片形状与环形旋涡的中央，即“漏斗”部分的涡线一致，正是这一事实使该叶轮在产生环形旋涡时效率高。应当注意，叶轮也可采用另一结构，为单叶或多叶的叶轮，而其作用面的形状遵循“黄金分割”。这些作用面可以沿X轴或沿Y轴或沿Z轴与黄金分割一致，或沿X、Y、Z轴中的二轴与黄金分割一致，或沿X、Y、Z轴与黄金分割都一致。

当叶轮起初在流体中旋转时，它既引起轴向流动也引起旋流。由于流体初始是静止的，叶轮产生高的紊流度。但当叶轮操作多一会儿时间，流体便发生循环，如图2所示。由于设计的叶轮符合流体的自然流动，当流体加速时，叶轮投入越来越多比例的能量作为动能给予流体，而不是紊流，流体于是以自然方式，即以环形旋涡的形式发生流动。一旦充分形成了环形旋涡，在很大的运动速度范围内叶轮不大会引起气穴。这一点与传统叶轮相反，后者在运行速度超过其设计值时迅速引起气穴。

在本发明的第一实施例中，如图4示，液体31盛装在圆柱形容器32中，容器32与其中心轴基本垂直。在容器32内安装一台具有叶轮34的潜水式电动机33，电动机和叶轮的轴基本共轴且与容器32的中心轴重合。电动机33可方便地安装在容器35的底部。如上所述，叶轮34被设计成使其有效面符合黄金分割，如图2a或图2b所示。开动叶轮34便引起流体像环形旋涡般循环，如流线36所指，见上述。如果液体31是必须混合均匀的混合物，则这样的混合能有效地实现。

本发明的优点通过与传统的有类似结构的混合系统作比较即可很好地明白。这样的系统也使用圆柱形容器，并由电动机驱动叶轮。但这样系统的叶轮使液体绕容器的中心轴转动。这会带来不少问题。

在这一装置中，液流速度在流体周边最大，即在容器壁面处最大。因此，由于液体与器壁的相对运动产生的磨擦损失，大量能量消耗了。相反，在环形旋涡里，液流速度在周边最小，即在器壁处最小，因此磨擦损失最小。同样由于传统装置中有旋流，由于离心力缘故水有“爬上”器壁的倾向。当如在本实施例的情况下液流按照环形旋涡流动时，液面高度环绕边缘基本保持不变。请注意，在两种情况下，中心处水位下降，涉及的流体动力学是很不同的。应当注意，至少在容器较小的情况下，一旦形成环形旋涡且投入过多能量，则可能形成旋转波，该波环绕液面循环运动。这样的波浪运动的流体的力学尚末充分了解，但请明白，转动的正是此波而非液体本身。此外，传统装置混合的效率低。在这样的装置中，一旦形成旋转运动，液体便会像轮子那样作为固定的团块转动，液体内不大会有相对运动，这叫做固体转动。混合必须进行较长时间。反之，在环形旋涡中具有固有的流体相对运动，因此混合时间很短。

传统的混合工法需要很大的动力使其起动。这就要求电动机有相应的尺寸。在某些化学医药的混合工艺中必须以一个月量级的长时间混合大批材料。业已发现，在有些情况下，如果该工艺在混合完成前例如由于停电而停止了，则发现因为起动惯性的限制不可能重新起动。电动机的功率不够重新起动，因此整批材料必须报废。在历史上，另外办法是首先安装较大的电动机。但显然，这样带来相当大的经济损失。反之，用本发明办法进行混合，不会要求大的起动功率。环形旋涡是能量储存器。当加入能量时，能量储存在涡环内。因此起动时，能量逐渐加入直至环形旋涡在某一级别运动，因此，系统中以损耗形式消失的能量相当于投入的能量。

显然，在实际装置中有些损耗总是存在的。在本发明一个简单实例中，容器是圆柱形的，据信，由于底面和器壁之间的突变，出现某种损失。据信，这样的损失可通过使容器有弯曲底面而减少，如球形底面而不是平底。不过，即使是标准的圆柱形容器，也可形成有力的环形旋涡并有高的效率。确实，甚至在非圆柱形，甚至非常不规则的容器中也很可能形成以环形旋涡形式的液流。

本装置的一个独特的特点是，不管在中心处使液体上升还是下降，都可形成环形旋涡，唯有环形旋涡，唯有环形旋涡中内流的方向是改变方向的。据信，可以有某些应用，其在局部地点的二向流也许是个小优点。

还据信，有些场合，特别是相对较细容器中，使底面与液面之间的叶轮位置安放得当可改进其性能。

在图5所示的第二实施例中，有一个水塔的水治理系统，该水塔用于市政供水的水网系统。水塔被水管理局广泛用作在高峰时以要求压力提供适量供水的手段。在非高峰时期，由泵站泵送水，一部分水满足需要，一部分水泵送到高位水塔。在高峰时间，当需要量超过泵送系统能力时，便从水塔获取附加供水。有这样水塔的标准设计是通过同一根水管供水与排水，此水管连接蓄水池底部或底部附近。但这会带来问题。多年来，加到水箱的水量和从水箱排出的水量只是总量的一小部分。至少在暖和月份里，正常情况是水被加温到由供水部门提供的水的温度以上。此时加到水箱中的水加到水箱底部，而当它比水箱中水体凉时，它仍留在水箱底部附近。当水从水箱排出时，箱底的凉水首先排出。因此，存在水体的分层现象，水箱高位的水不循环也不排出和正如较底水的情况那样被新水置换。这一停滞现象导致上层水变质。为了防止这种变质，供水当局发现，必须加入化学药品，但它较贵且从水质观点看也不受欢迎。另一方面，可采用泵或叶片式搅拌器，但它比本发明的效率差得多，因为它产生紊流，而不是主要的环形旋涡。

根据第二实施例，有关第一实施例所述那种由适当电动机驱动的叶轮42设置在水塔41的中央，叶轮42的旋转轴和电动机轴线垂直对齐。叶轮42可以在水体内设置在较低位置，以便当水位低时也能毫无问题地工作。在电动机的电路中有一液位开关43，当水塔41中的水位太低时它可切断电动机，以防在叶轮42未被水淹没时开动电动机。由于叶轮42的运转，在水体中形成环形旋涡，从而确保以很低电耗使水塔内的水循环。由于这一循环，水的分层现象得到防止或消失。由于环形旋涡及按照黄金分割设计的叶轮效率高，因此预期功率20～100瓦的电动机适用于大多数水塔。这样的电动机的运行费远低于加入化学药品来控制污染的成本。功率是如此的底以致用太阳能是个经济的选择方案。

在图6所示的第三实施例中，有水池的水治理及/或维护系统，这在城市公园中可以找到。众所周知，由于缺少充气，导致鱼和需氧植物死亡并造成讨厌的霉菌、真菌、肉毒的堆积及蚊子的繁殖，这样的水池造成污染。就静水池而言，水发生分层，凉水留在底部而温水在顶部，这样使问题加重。用充气或其它方法试图降低污染的做法只有部分效果，因为它们不能使水充分循环而依赖于进入静止下层的压缩空气的扩散。由于分层关系，这种扩散不大成功。

在第三实施例中，水池51具有小电动机52，它驱动第一实施例所述那种叶轮53。电动机52大致位于水池51的中央，其轴线垂直，而叶轮53稍微沉没在水池的水中，连续开动电动机52便形成水的循环。经过一定时间，液流的流态采取环形旋涡式样。结果，水池的水在循环，而水池51的全部水体发生混合。循环消除了分层现象，导致曝气的表层不断与全部水体混合。循环消除了分层现象，导致曝气的表层不断与全部水体混合，从而对整个水体提供曝气。本实施例显示的这些优点因电动机尺寸很小而实施。试验时，表面积约1英亩(1.7百万加仑)的水池可转动40W的电动机二周实施更新。据信，为维持水池处于卫生状态所需更低的电力。如果由供电干线供的电，则年电费低于50.00美元，且比用化学处理方法更有效。此外，虽然循环可影响整个水池，但由于在环形旋涡内的液流性质，水池周边的流动很慢，确实肉眼几乎看不出。因此，流体循环不会引起水池四周边缘的侵蚀问题。

在另一试验中，半英亩，16英尺深，100万加仑的供水池用24W电动机工作20小时可完全混合。

在第三实施例的一种改型中，电动机叶轮组件安装在支架上，支架上还支撑光电屏，用于供电来驱动电动机。此装置可与电池组结合用于连续供电。另一方面，据信仅当有足够阳光来驱动电动机时才能间歇性开动叶轮使许多环境中保持水质在满意水平。由于这种方案的采用就不需要提供干线电源给位于大水体中央的装置。

在第三实施例的另一改型中，电动机、叶轮和光电屏由浮动装置支撑，整个组件用适当的锚固件固定到水池底部。这样的装置适用于相对较深的水池，因为那里从池底支承该组件不切实际，也适用于水位波动大的水池。

应当注意，在这些实施例的情况下，虽然当叶轮设置在水池中央，或设置在水箱或水塔垂直轴的中央时预期可以有最佳性能，但业已发现，甚至当环形旋涡的漏斗形部分远离各自部件时本装置也能有效地工作。

在第三实施例各种形式的情况下应考虑有许多水池其平面形状很规则的情况。的确在有些情况下，水池可以包括二个或多个蓄水池，它们由较窄管路相连。应考虑在这些情况下，开动一个以上叶轮，形成一个以上旋涡也许是合适的。在此情况下使产生的旋涡有正确旋度以确保这些旋涡互相配合是重要的。

第三实施例的另一应用和养鱼场有关。虽然循环和曝气强度高使本实施例是个养鱼的理想环境，但除了漏斗区附近外，大部分水池的水速相对较低。有趣的是，业已观察到鱼甚至能通过环形旋涡的漏斗形部分而无任何可见的伤痕。

叶轮从进口到出口以对数曲线展开，因为有以下特殊优点：它不会伤害鱼及其它有机物，不会像其它传统装置那样易受杂草或塑料的污染。

如第三实施例所示，流体循环彻底，曝气良好使本工艺变为最适合于污水处理的装置。在所述的每一实施例中，如果叶轮转速较高，它在液体运动的中心产生一个旋转的真空管，它将此空气管下拉到叶轮并有力地将空气以有效均匀的方式分散到整个液体。这是给液体充气非常便宜的方法且与污水处理，养鱼场及许多工业用用途有特殊关系。业已发现，在上述诸实施例中，调节叶轮的安装角可控制环形旋涡的高度和宽度。

在某些用途中，业已发现，通过设置叶轮使其绕水平轴线旋转可产生环形旋涡。的确，在叶轮轴处于其它角度情况下即介于垂直和水平之间也可形成。用途决定此角度的最佳值。

以上几个实施例发现了几个本发明适用潜在用途，这些应用的好处来自采用自然的流谱。应当明白，本发明的范围不局限于上述实施例的具体范围。

整个书面说明中，除非上下文另有说明，“包括”这个词应理解为包含所述的整个事物或整个事物组，但不排除其它整个事物或事物组。

Claims (28)

1、一种流体循环系统，其特征在于，通过流体中形成和维持环形旋涡使流体产生循环。

2、权利要求1所述的流体循环系统，其特征在于，利用位于流体内的叶轮的转动产生循环。

3、权利要求2所要求的流体循环系统，其特征在于，叶轮按照黄金分割，或几何形状Φ进行设计。

4、权利要求2所要求的流体循环系统，其特征在于，叶轮中央按黄金分割设计，其余部分按螺旋形或其它贝壳形状设计。

5、权利要求2-4任一项所要求的流体循环系统，其特征在于，叶轮形状在其漏斗形，即中央部分与流线、流线型或涡线相符，其余部分与环形旋涡相符。

6、权利要求2-5任一项所要求的流体循环系统，其特征在于，叶轮作用面的形状符合黄金分割的至少一条对数曲线。

7、权利要求6所要求的流体循环系统，其特征在于，作用面沿X轴或沿Y轴或沿Z轴符合黄金分割。

8、权利要求7所要求的流体循环系统，其特征在于，作用面沿X、Y、Z轴中的二条符合黄金分割。

9、权利要求6所要求的流体循环系统，其特征在于，作用面沿X、Y、Z轴都符合黄金分割。

10、权利要求2-9任一项所要求的流体循环系统，其特征在于，流体包括容器中的液体，该容器可以是圆柱形的且其中心轴朝上，其中，液体中设置叶轮，可绕与容器中心轴基本共轴的旋转轴转动。

11、权利要求2-10任一项所要求的流体循环系统，其特征在于，在流体中形成许多旋涡。

12、装在容器或储器中的液体的混合系统，该系统包括叶轮，其特征在于，叶轮设置在液体中，可使液体以环形旋涡的形式产生循环。

13、权利要求12所要求的混合系统，其特征在于，叶轮基本按照黄金分割，或几何形状Φ进行设计。

14、权利要求12或13所要求的混合系统，其特征在于，叶轮的形状符合流线、流线型或环形旋涡的漏斗形或中央部分的涡旋线。

15、权利要求12-14任一项所要求的混合系统，其特征在于，叶轮作用面的形状符合黄金分割的至少一条对数曲线。

16、权利要求12-15任一项所要求的混合系统，其特征在于，叶轮大体上水平安装。

17、权利要求12-16任一项所要求的混合系统，其特征在于，容器或储器包括基本为圆柱形的容器，其中心轴朝上，可绕与容器中心轴基本共轴的旋转轴旋转。

18、权利要求17所要求的混合系统，其特征在于，容器底面是曲面。

19、权利要求18所要求的混合系统，其特征在于，容器底面是球面。

20、用于储水器的水治理系统，该水治理系统包括叶轮，叶轮可在水中转动，从而形成环形旋涡形式的水循环。

21、权利要求20所要求的混合系统，其特征在于，叶轮按照黄金分割，或几何形状Φ设计。

22、权利要求20或21所要求的水治理系统，其特征在于，叶轮形状符合流线，或环形旋涡漏斗或中心部分的涡旋线。

23、权利要求20-22任一项所要求的水治理系统，其特征在于，叶轮作用面的形状符合黄金分割的至少一条对数曲线。

24、权利要求20-23任一项所要求的水治理系统，其特征在于，叶轮旋转轴朝上。

25、权利要求24所要求的水治理系统，其特征在于，叶轮旋转轴基本垂直。

26、权利要求20-25任一项所要求的水治理系统，其特征在于，储水器是与供水网相连的水塔，水循环用于中止在水体内形成分层。

27、权利要求20-25任一项所要求的水治理系统，其特征在于，储水器是水池，水循环用于促进整个水体的曝气。

28、权利要求20-27任一项所要求的水治理系统，其特征在于，利用许多环形旋涡进行水循环。

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