高壓氣固兩相流噴射器進(jìn)氣增壓設(shè)計

王正藍(lán) 牛鵬宇 張金泉

摘 要：為了解決背負(fù)式防暴噴霧驅(qū)散器高壓氣體利用率不高的問題，對驅(qū)散器進(jìn)行進(jìn)氣增壓設(shè)計，并通過實驗研究了噴射器進(jìn)氣增壓設(shè)計前后近噴口流場射流變化情況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過增壓改進(jìn)，可以提高射裝備氣體利用率，增強裝備的驅(qū)散戰(zhàn)術(shù)性能。

關(guān)鍵詞：氣固兩相流噴射器;進(jìn)氣增壓;流場變化

背負(fù)式防暴噴霧驅(qū)散器是武警部隊用來處置大規(guī)模群體性事件的最常用非致命武器之一，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、驅(qū)散效果好的特點，自配發(fā)部隊以來，受到基層官兵很高的評價。但是在使用過程中發(fā)現(xiàn)該裝備在使用完畢后氣瓶內(nèi)仍貯存有大量高壓氣體未被充分利用，為此，本文為該噴射器設(shè)計了進(jìn)氣增壓結(jié)構(gòu)，以提高推進(jìn)氣體的利用率，增大裝備的驅(qū)散效能。

1 背負(fù)式防暴噴霧驅(qū)散器

背負(fù)式防暴噴霧驅(qū)散器的槍體由進(jìn)氣管、氣閥、噴管、噴頭、扳機、握把、扳機護(hù)圈、保護(hù)殼等部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.噴頭 ?2.噴管 ?3.扳機 ?4.握把 ?5.外殼 ?6.氣閥 ?7.進(jìn)氣管 ?8.扳機護(hù)圈

圖1 背負(fù)式防暴噴霧驅(qū)散器噴槍結(jié)構(gòu)圖

2 噴射器進(jìn)氣增壓設(shè)計

為了便于觀察對比設(shè)置進(jìn)氣增壓裝置前后射流的變化效果，在原有模型試驗的噴槍槍管中部實施進(jìn)氣增壓改進(jìn)，噴槍部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2進(jìn)氣增壓接口結(jié)構(gòu)尺寸圖

3 設(shè)置增壓結(jié)構(gòu)前后射流噴射性能分析

3.1 射流發(fā)展過程對比

實驗安排：在相同實驗條件下，用高速攝影系統(tǒng)分別采集增壓前和增壓后的噴射器流場變化情況，并對相同時間的射流進(jìn)行對比，對比效果如圖3所示。

a 集束射流階段高速攝影圖

b 集束射流階段高速攝影圖

a羽流形成階段高速攝影圖

b 羽流形成階段高速攝影圖

a 穩(wěn)定彌散階段高速攝影圖

b 穩(wěn)定彌散階段高速攝影圖

圖3增壓前實驗拍攝的高速圖像和增壓后實驗拍攝的高速圖像

設(shè)置進(jìn)氣增壓結(jié)構(gòu)后，流場發(fā)展速度加快，射流在空氣中開始進(jìn)入“羽化形成”階段比非加壓時提前，但是可以看出射流繼續(xù)發(fā)展進(jìn)入“穩(wěn)定彌散”階段的時間并沒有明顯的變化。

3.2 設(shè)置增壓結(jié)構(gòu)前后流場擴散角隨時間變化關(guān)系

表1設(shè)置進(jìn)氣增壓前后射流擴散角隨時間變化圖

工況 ? ? ? ? 0 ? ? ? ? ? ?50ms ? ? ? ? ? ?100ms ? ? ? ? ? ?150ms ? ? ? ? ? ? 200ms ? ? ? ? ? ?250ms ? ? ? ? ? ? 300ms

增壓前 ? ? ? ?0 ? ? ? ? ? ?2.1° ? ? ? ? ? ? ?2.5° ? ? ? ? ? ? ? 15.8° ? ? ? ? ? ? ? 20.8° ? ? ? ? ? ? ?22.3° ? ? ? ? ? ? ? 22.4°

增壓后 ? ? ? 0 ? ? ? ? ? ?2.6° ? ? ? ? ? ? ? ?5.3° ? ? ? ? ? ? ? 18.1° ? ? ? ? ? ? ? 23.0° ? ? ? ? ? ? ?24.8° ? ? ? ? ? ? ? 24.5°

由實驗結(jié)果可以看出，設(shè)置進(jìn)氣增壓機構(gòu)以后，射流近口發(fā)散角高于未增壓時射流擴散角度，這是由于槍管中接入進(jìn)氣增壓機構(gòu)以后，原始的射流被增壓空氣稀釋，固相顆粒在噴管處受其它顆粒的束縛作用減小，射流在出槍口之前熱膨脹非常不充分，噴出槍口壓力迅速降低，固相粉體在氣體的攜帶下向四周的低壓區(qū)快速擴散，煙霧總體密度相對原來比較小，也更容易受到空氣阻力的影響。

3.3 設(shè)置增壓結(jié)構(gòu)前后射流前端速度隨時間變化關(guān)系

表2設(shè)置進(jìn)氣增壓前后射流前端速度隨時間變化圖

工況 ? ? ? ? ?0 ? ? ? ? 50ms ? ? ? ? 100ms ? ? ? ? 150ms ? ? ? ? 200ms ? ? ? ? 250ms ? ? ? ? 300ms ? ? ? ? 350ms

增壓前 ? 21.0m/s ? 32.3 m/s ? ? 27.3 m/s ? ? ?22.3 m/s ? ? 18.2 m/s ? ? ?14.8 m/s ? ? ?10.1 m/s ? ? 7.9 m/s

增壓后 ?26.0 m/s ? 37.2 m/s ? ? 32.4 m/s ? ? ?27.4 m/s ? ? 28.3 m/s ? ? ?19.1 m/s ? ? ?17.6 m/s ? ? ? 9.5 m/s

設(shè)置進(jìn)氣增壓裝置后氣粉流以較高的噴射速度向前噴出：未設(shè)置前的出口速度為21.0m/s，設(shè)置增壓機構(gòu)后的出口速度為26.0m/s。兩種工況下的前端速度都有相似的變化規(guī)律：“集束射流”時期的射流速度增加明顯，“羽流形成”時的運動速度增加顯著，以及“穩(wěn)定彌散”時期的氣流有效推動力增大，擴散速度也較未設(shè)置增壓前有較大的提高。

4 結(jié)語

本文對背負(fù)式防暴噴霧驅(qū)散器進(jìn)行了進(jìn)氣增壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并對增壓前后的射流擴散角、射流運動速度進(jìn)行了實驗研究。由實驗結(jié)果可以看出，改進(jìn)型的進(jìn)氣增壓結(jié)構(gòu)射流擴散角大，射流速度快，可以更加迅速的完成刺激劑煙霧的播撒，形成更大的驅(qū)散作用面積，整體改進(jìn)后性能提升較大。

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