高壓氣固兩相流噴射器進氣增壓設計

王正藍 牛鵬宇 張金泉

摘 要：為了解決背負式防暴噴霧驅散器高壓氣體利用率不高的問題，對驅散器進行進氣增壓設計，并通過實驗研究了噴射器進氣增壓設計前后近噴口流場射流變化情況，發現經過增壓改進，可以提高射裝備氣體利用率，增強裝備的驅散戰術性能。

關鍵詞：氣固兩相流噴射器;進氣增壓;流場變化

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

1 背負式防暴噴霧驅散器

背負式防暴噴霧驅散器的槍體由進氣管、氣閥、噴管、噴頭、扳機、握把、扳機護圈、保護殼等部分構成，其結構如圖1所示。

1.噴頭 ?2.噴管 ?3.扳機 ?4.握把 ?5.外殼 ?6.氣閥 ?7.進氣管 ?8.扳機護圈

圖1 背負式防暴噴霧驅散器噴槍結構圖

2 噴射器進氣增壓設計

為了便于觀察對比設置進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氣增壓改進，噴槍部分結構如圖2所示。

圖2進氣增壓接口結構尺寸圖

3 設置增壓結構前后射流噴射性能分析

3.1 射流發展過程對比

實驗安排：在相同實驗條件下，用高速攝影系統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 穩定彌散階段高速攝影圖

b 穩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

設置進氣增壓結構后，流場發展速度加快，射流在空氣中開始進入“羽化形成”階段比非加壓時提前，但是可以看出射流繼續發展進入“穩定彌散”階段的時間并沒有明顯的變化。

3.2 設置增壓結構前后流場擴散角隨時間變化關系

表1設置進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°

由實驗結果可以看出，設置進氣增壓機構以后，射流近口發散角高于未增壓時射流擴散角度，這是由于槍管中接入進氣增壓機構以后，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 設置增壓結構前后射流前端速度隨時間變化關系

表2設置進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

設置進氣增壓裝置后氣粉流以較高的噴射速度向前噴出：未設置前的出口速度為21.0m/s，設置增壓機構后的出口速度為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“穩定彌散”時期的氣流有效推動力增大，擴散速度也較未設置增壓前有較大的提高。

4 結語

本文對背負式防暴噴霧驅散器進行了進氣增壓結構的設計，并對增壓前后的射流擴散角、射流運動速度進行了實驗研究。由實驗結果可以看出，改進型的進氣增壓結構射流擴散角大，射流速度快，可以更加迅速的完成刺激劑煙霧的播撒，形成更大的驅散作用面積，整體改進后性能提升較大。

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