一种消防喷砂炮管及其型面的设计方法与流程

本发明涉及一种消防喷砂炮管及其型面的设计方法。

背景技术：

民用消防设施诸如灭火器、消防水带、砂箱能够应对小规模的火灾。但对于化工厂、电厂、化学品储运等场所，由于过火面积很大，而且着火材料也多为有毒有害的物质，通常需要通过表面覆盖砂砾灭火；特别是遇水爆炸的化学品，砂砾覆盖是唯一有效的手段。

现有的砂砾覆盖方式是通过车辆将砂砾运输到最靠近火场的位置，然后将砂砾卸下，再借助人工或者推土机铲运砂砾，上述方式不仅效率低下，有效覆盖距离短，只能在火场边缘进行操作，无法对火场中心区域或其他区域进行操作，而且对操作人员的生命安全构成严重威胁，有待于进一步改进。

技术实现要素：

针对上述现有技术的现状，本发明所要解决的技术问题在于提供一种能将混有砂砾的气流加速至超音速以大幅扩大投射距离，效率高，有效覆盖距离远，并能保障操作人员的生命安全的消防喷砂炮管及其型面的设计方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种消防喷砂炮管，其特征在于，包括进砂管、进气管、外管、内管和连接圈；所述外管的左端封闭，所述外管的右端开口，所述进砂管穿插固定在外管的左端并与外管同心设置，所述进气管的一端插入固定在外管的左端并与外管的内部相互连通，所述进砂管的一端形成有第一喷射头，所述第一喷射头设于外管的左端内部，所述内管同心设于外管的内部，所述连接圈套设固定在内管外并嵌设固定在外管的内壁上，所述第一喷射头插入到内管的左端内部并与内管的左端内壁之间形成初级拉瓦尔管；所述连接圈中开设有多个沿圆周方向等角度分布的气孔；所述内管的右端形成有第二喷射头，所述第二喷射头与外管的内壁之间形成了外圈拉瓦尔管；所述内管的中部内壁上向外形成有环向分布的凸环，所述凸环的内部形成了次级拉瓦尔管。

优选地，所述初级拉瓦尔管与第一喷射头的外径最大处之间形成了喉口，所述喉口的左右两侧分别形成了初级收缩段和初级扩张段，所述初级收缩段的截面积从左向右连续减小，所述初级扩张段的截面积从左向右连续增大。

优选地，所述凸环的左右两侧分别形成有环向分布的第一弧形圈和第二弧形圈，所述第一弧形圈的内部形成了次级收缩段，所述次级收缩段的截面积从左向右连续减小，所述次级收缩段套设在第一喷射头的外部并与初级扩张段相互连通。

优选地，所述第二弧形圈的内部形成了次级扩张段，所述次级扩张段的截面积从左向右连续增大。

一种消防喷砂炮管型面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据公式(1)计算出初级收缩段的内壁曲率以获得一维流动曲线；

步骤二，采用cresci解析法将初级扩张段和次级扩张段都分为3个区域：源流逐渐形成的aodb区、将源流整流到具有相同马赫数的平行均匀流的bdec区、型面消除壁面上所有膨胀波反射的bfc段；

步骤三，采用foelsch方法的经验曲线设计ab段曲线；

步骤四，根据公式(2)确定bdef区的轴向分布，换算简化后得到de段的速度分布公式(3)；

步骤五，根据公式(3)先确定d点和e点的位置，再根据e点的左行特征线为直线定出特征线端点c的位置，将bd、de、ec作为边界条件，利用三元特征线性理论结合质量守恒定律求出bc段的型面曲线。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明能将砂砾与气流相互混合并有效避免砂砾与管壁之间的碰撞以防止能量损失，从而将混有砂砾的气流加速至超音速以大幅扩大投射距离，使得操作人员能在远离火场的位置处将砂砾快速喷射到火场任意位置，效率高，有效覆盖距离远，并能保障操作人员的生命安全。

附图说明

图1为本发明的剖面结构图；

图2为本发明的初级拉瓦尔管的剖面结构图；

图3为本发明的初级拉瓦尔管和次级拉瓦尔管的型面设计曲线图。

具体实施方式

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。

如图1～3所示，一种消防喷砂炮管，包括进砂管1、进气管2、外管3、内管4和连接圈5；外管3的左端封闭，外管3的右端开口，进砂管1穿插固定在外管3的左端并与外管3同心设置，进气管2的一端插入固定在外管3的左端并与外管3的内部相互连通，进砂管1的一端形成有第一喷射头11，第一喷射头11设于外管3的左端内部，内管4同心设于外管3的内部，连接圈5套设固定在内管4外并嵌设固定在外管3的内壁上，第一喷射头11插入到内管4的左端内部并与内管4的左端内壁之间形成初级拉瓦尔管6；连接圈5中开设有多个沿圆周方向等角度分布的气孔51；内管4的右端形成有第二喷射头41，第二喷射头41与外管3的内壁之间形成了外圈拉瓦尔管7；内管4的中部内壁上向外形成有环向分布的凸环42，凸环42的内部形成了次级拉瓦尔管8。

初级拉瓦尔管6与第一喷射头11的外径最大处之间形成了喉口62，喉口62的左右两侧分别形成了初级收缩段61和初级扩张段63，初级收缩段61的截面积从左向右连续减小，初级扩张段63的截面积从左向右连续增大。

凸环42的左右两侧分别形成有环向分布的第一弧形圈43和第二弧形圈44，第一弧形圈43的内部形成了次级收缩段81，次级收缩段81的截面积从左向右连续减小，次级收缩段81套设在第一喷射头11的外部并与初级扩张段63相互连通，第二弧形圈44的内部形成了次级扩张段82，次级扩张段82的截面积从左向右连续增大。

一种消防喷砂炮管型面的设计方法，包括以下步骤：

步骤一，根据公式(1)计算出初级收缩段61的内壁曲率以获得一维流动曲线，见图3；

公式(1)中：

x为自初级收缩段61入口处开始的任意一处的横向长度；

d为初级收缩段61入口处的直径；

dt为喉口62处的直径；

di为x处的截面直径；

l：初级收缩段61的长度。

步骤二，采用cresci解析法将初级扩张段63和次级扩张段82都分为3个区域：源流逐渐形成的aodb区、将源流整流到具有相同马赫数的平行均匀流的bdec区、型面消除壁面上所有膨胀波反射的bfc段，见图3；

步骤三，采用foelsch方法的经验曲线设计ab段曲线。

步骤四，bdef区为部分消波区,根据公式(2)确定其轴向分布，换算简化后得到de段的速度分布公式(3)；

式中x＝(x-xd)/(xe-xd)，此三次多项式满足的边界条件如下：

时，w＝wd，有：

时，w＝we，有：

并由：

选定xe的值，把这些边界条件代入第一条三项式，经简化得：

步骤五，根据公式(3)先确定d点和e点的位置，再根据e点的左行特征线为直线定出特征线端点c的位置，将bd、de、ec作为边界条件，利用三元特征线性理论结合质量守恒定律求出bc段的型面曲线。

使用时，压缩空气通过进气管2进入初级拉瓦尔管6的初级收缩段61内，经初级收缩段61加速至超音速，并使进砂管1内产生真空，将砂箱通过钢丝骨架软管与进砂管1的左端相连，砂箱中的砂砾在进砂管1的真空作用下被吸入进砂管1中，进而进入到内管4的左端内部，从而在初级扩张段63内与超音速气流相互混合；接着，混合有砂砾的超音速气流向右流动至次级收缩段81中，并在次级收缩段81的作用下减慢速度，然后再进入到次级扩张段82中再次加速并从内管4的右端向外喷出；同时，进入到外管3中的气流经由连接圈5中的多个气孔51进入到外圈拉瓦尔管7中并被加速至音速以上，该结构产生的超音速气流可以防止从内管4右端喷出的砂砾撞击到外管3内壁导致能量损失，并同时推动气砂混合物进一步加速，最终从外管3的右端喷射出去。

本发明能将砂砾与气流相互混合并有效避免砂砾与管壁之间的碰撞以防止能量损失，从而将混有砂砾的气流加速至超音速以大幅扩大投射距离，使得操作人员能在远离火场的位置处将砂砾快速喷射到火场任意位置，效率高，有效覆盖距离远，并能保障操作人员的生命安全。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。