射流邏輯器件

射流邏輯器件，以射流作為工作介質並按流體的流動機理構成的自動化元件。射流是從噴嘴噴射出來的一束具有一定壓力的氣流或液流。射流元件必須與其他一些裝置組成射流控制系統才能對被調參量進行自動控制。

基本介紹

• 中文名：射流邏輯器件
• 外文名：Jet logic device                    
• 學科：計算機科學與技術
• 原理：射流技術
• 類別：自動化元件
• 優點：結構簡單

基本概念

射流（jet），指流體從管口、孔口、狹縫射出，或靠機械推動，並同周圍流體摻混的一股流體流動。經常遇到的大雷諾數射流一般是無固壁約束的自由湍流。這種湍性射流通過邊界上活躍的湍流混合將周圍流體卷吸進來而不斷擴大，並流向下游。

射流技術（fluidics），一項自動控制技術。在壓力作用下從噴嘴噴射出來的氣流或液流稱為射流。利用射流中的某些物理現象例如卷吸現象、附壁效應等做成不同功能的射流元件，和輔件組成控制線路，使射流的方向改變，可以達到自動控制的目的，例如自動切換、時間程式控制、行程程式控制等。

射流邏輯器件，以射流作為工作介質並按流體的流動機理構成的自動化元件。射流是從噴嘴噴射出來的一束具有一定壓力的氣流或液流。

射流邏輯器件的分類

（1）按工作介質分為氣動射流元件和液壓射流元件兩類。

（2）按工作原理的不同,射流元件可分為模擬元件和數字元件兩大類。模擬元件也稱比例元件,能夠將輸入的主射流信號做比例變換後以射流形式輸出。模擬元件的輸入和輸出都是連續變化的信號;相反的,數字元件的輸出不是連續信號,而進行預定的階段性變化。數字元件的輸入可以是連續信號,也可以是階躍信號。

（3）根據流體的流動機理，射流元件又分為湍流式、附壁式和動量交換式三類。

①湍流式射流元件：利用層流狀態的主射流在干擾氣流作用下由層流流動變為湍流流動的原理所製成，它實質上是一種多輸入的“或非”射流元件。

②附壁式射流元件：利用主射流在特定形狀的腔室內由於流體的卷吸作用而產生的附壁效應所製成，常見的有雙穩元件、或非元件、計數觸發元件等。

③動量式射流元件：利用兩股射流在作用腔室內進行動量交換的原理所製成，常見的有與門元件、半價元件、比例元件等。

工作機理

液壓射流元件的工作原理

射流元件必須與其他一些裝置組成射流控制系統才能對被調參量進行自動控制。圖中表示射流元件用於液位控制。當液面高度h為零時，關閉手動閥，或非射流元件的控制管沒有被液面淹沒。射流在J1端輸出，經放大器打開薄膜調節閥，液體開始向容器進料。當液面達到要求的高度時，控制管被淹沒，或非元件被切換，射流從J2端輸出，通過氣電轉換元件使指示燈發光，表示液面高度達到要求。此時，由於J1的消失，薄膜調節閥關閉，可以打開手動閥，系統進入自動控制階段。當液面由於流量的輸出而降低時，控制管敞開，J1輸出使閥打開；當液面達到要求高度時，閥又關閉，從而實現液位的自動控制。

圖1

模擬元件的工作原理

以偏向型射流元件為例介紹模擬元件的工作原理。偏向型射流元件的流道如圖2a所示，將這種流道加工在一塊平板上，上下各用一塊板密封后就製成了射流元件。其工作原理是：由能量源提供的流體經過主噴嘴後產生高速主射流，主射流噴向工作室的大空腔，在那裡與側面輸入的控制流發生干涉。主射流會在控制流作用下發生偏轉，從而使下游接收主射流的受流口內的流量發生變化。如此一來，對於同樣的主射流，受流口可以輸出不同的流量信號，完成比例變化的任務。

圖2

數字元件的工作原理

以附壁型射流元件為例介紹數字元件的工作原理。附壁型射流元件的流道如圖2b所示，能量源提供的主射流進入工作腔後,射流會在壓差作用下貼附到某一側壁上流動。這種現象為柯安達在1932年發現,稱為柯安達效應。附壁的流體只能經由附壁一側的輸出口輸出，而對側的輸出口則幾乎沒有流體。這樣，輸出口就得到了兩個截然不同的信號，類似於計算機邏輯，可以將這兩個信號定為/開0和/關0，或者/10和/00。當需要改變信號時，只需在附壁一側輸入控制流,射流將在控制流的衝撞下發生偏轉而附壁於對側，此時輸出信號也發生階越變化，從而完成數字邏輯任務。

射流元件的優缺點

優點

（1）結構簡單，操作安全，成本低，見效快；

（2）射流元件具有耐腐蝕、防爆等優點，所以對可能出現燃燒、爆炸和劇毒的化學液體和氣體的過程，採用射流控制系統既安全可靠，又經濟耐用；

（3）對於要求自動控制裝置能在極端惡劣條件（如強振動、強輻照、高溫等）下可靠工作的場合，射流技術尤能顯示其優越性。

（4）射流元件可以做得很小，並和電子技術一樣可以實現集成化。

缺點

（1）反應動作比電子元件遲鈍，且不能遙控；

（2）射流信號傳遞速度較慢，而且傳輸過程中信號波形容易變形，所以不宜用以組成十分複雜的控制系統；

（3）射流元件的能源也遠較電源不易得到，而且無論工作與否都連續消耗能量，所以效率較低。這些缺點限制了射流元件的套用範圍。

套用及發展前景

射流元件在特殊場合的套用，使得很多學者對其進行了大量的研究，得到了不少新發現，尤其是液動射流衝擊器在油氣、地熱鑽井和大陸科學鑽探領域的人井套用試驗中取得了顯著成效。射流元件可套用於液動衝擊器、套管振動器、小角度旋轉灑水機。與此同時，該兒件有助於石油鑽井井下脈衝器的研製，可實現井底射流脈衝，更好地清洗井底，提高鑽速。此外，該元件用於馬路撒水、草坪噴灑能節約用水；用於噴泉，可增加其觀賞性。可用於死角地方的灑水。這些產品加工容易，結構簡單，成本極其低廉，操作方便，套用廣泛，具有廣闊的市場潛景。

射流元件在其鼎盛時期曾被廣泛套用於化工、石油、機械、電力、冶金、紡織、船舶、儀表和國防等工業方面。其後，電子控制系統如日中天，取代了大部分射流控制系統。目前，射流元件主要用於特殊工況下的溫度控制，液壓系統中的機械控制和流體控制，航空和軍事方面的飛行體控制等。

（1）體積小巧，回響迅速

儘管與傳統的機械相比，射流元件具有極高的回響速度，但仍然難以滿足現代控制系統越來越高的要求。

（2）層流射流元件

紊流會引起射流的噪聲，而層流則會安靜的多。更為重要的是，層流元件可以偵測和產生微小的壓力信號，而紊流元件只能用於高信號領域。而且，研究表明，起同樣作用的層流數字邏輯元件的能量損耗幾乎是紊流元件的1/10。

（3）超音速射流元件

超音速射流元件可以產生足夠大的能量以完成某些特殊任務，比如飛彈導向控制系統就需要瞬間產生一個強大的推力來控制飛彈的轉向和擺動。但超音速射流元件極為複雜，目前為止只有少量研究報導。

（4）聯合電子、機械和傳統氣動、液動部件組成一個高效的控制系統

自20世紀60年代起，就有學者致力於純流體控制系統的研製，但目前仍只有少量的套用。

（5）模組化、一體化、標準化

一方面，這是現代設計的基本要求；另一方面，這將使射流元件的套用更加方便。

（6）套用數值模擬技術分析射流元件內部的流動狀況以指導元件的設計工作

目前為止，射流元件內部流體的流動狀況仍然沒有完整的理論解釋，而其特殊的複雜性也為數值模擬帶來不小的挑戰。近年來，隨著計算機技術和流體模擬軟體的逐漸完善，射流元件內部流動的數值模擬有望實現。