一種流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置，包括超聲速噴嘴、橡膠軟管、氣源儲罐和空氣壓縮機；超聲速噴嘴通過橡膠軟管與氣源儲罐連通，超聲速噴嘴與橡膠軟管之間以及橡膠軟管與氣源儲罐之間均設有截止閥；空氣壓縮機與氣源儲罐連通；超聲速噴嘴的內(nèi)壁面為基于三次B樣條曲線配置軸線馬赫數(shù)分布的特征線方法設計的曲面。本新型的超聲速滅火裝置整體結(jié)構(gòu)精簡；采用基于三次B樣條曲線配置軸線馬赫數(shù)分布的特征線方法設計出的超聲速噴嘴，能夠使噴嘴出口獲得均勻性好、氣流速度精確、不存集中波系的高品質(zhì)超聲速流場；超聲速和空氣源的結(jié)合，使得滅火時氣流持續(xù)時間長、穩(wěn)定性好，滅火效率高，且滅火方式不造成二次污染，綠色環(huán)保。
【專利說明】
一種流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置
技術領域
[0001] 本實用新型涉及滅火裝置領域，特別地，涉及一種流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝 置。
【背景技術】
[0002] 滅火器，又稱滅火筒，是一種可攜式滅火工具。滅火器內(nèi)藏化學物品。滅火器是常 見的防火設施之一，存放在公眾場所或可能發(fā)生火警的地方。滅火器的種類很多，按其移動 方式可分為:手提式和推車式;按驅(qū)動滅火劑的動力來源可分為:儲氣瓶式、儲壓式、化學反 應式;按所充裝的滅火劑則又可分為:泡沫、干粉、鹵代烷、二氧化碳、清水等。
[0003] 利用物質(zhì)在超聲速條件下極難燃燒的原理，部分學者提出了超聲速滅火，詳情如 下：
[0004] 申請?zhí)枮?6201367.6的專利提供一種強力型的自控超聲滅火器，其本體的圓弧過 渡處內(nèi)壁向內(nèi)延伸一弧形曲面體，其表面有噴嘴，孔的兩端呈錐形，中間部分是圓柱形，在 曲面體下方裝有滅火劑，本體底部向外延伸一圓盤形，與柵板固接，自控線路裝在線路盒與 引發(fā)器之間的空腔內(nèi)，自控線路包括熱紅外控制線路和溫度控制線路，引發(fā)器接受信號后 引發(fā)產(chǎn)生燃氣流，經(jīng)過噴嘴，形成超聲速氣流，使滅火劑成霧狀噴出，由柵板導流，此本裝置 雖然能起到一定的滅火效果，但是整體結(jié)構(gòu)復雜，成本高，不利于推廣使用。
[0005] 申請?zhí)枮?2259174.5的專利提供一種超聲速氣溶膠干粉自動滅火器，由耐壓容 器、壓縮氣瓶、動力引發(fā)裝置和超聲速氣溶膠發(fā)生器所組成，是一種集干粉滅火劑儲存、粉 碎、自動引發(fā)滅火于一體的新型滅火器，當起火時，壓縮氣體自動進入干粉倉，攪動干粉形 成兩相流進入超聲速氣溶膠發(fā)生器，將干粉粉碎成超細粉體由噴嘴噴向火點，形成氣溶膠 滅火，此種滅火器的滅火效果較好，但是其借助于干粉，造成二次污染，在博物館、資料室等 地點不適合使用，實用性不強。
[0006] 因此，設計一種結(jié)構(gòu)精簡以及能實現(xiàn)高效、環(huán)保滅火的滅火裝置具體重大意義。 【實用新型內(nèi)容】
[0007] 本實用新型目的在于提供一種具有流場可持續(xù)性、均勻性以及穩(wěn)定性的超聲速滅 火裝置，具體技術方案如下：
[0008] -種流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置，包括超聲速噴嘴、橡膠軟管、氣源儲罐以及 空氣壓縮機；
[0009] 所述超聲速噴嘴的末端通過橡膠軟管與所述氣源儲罐的內(nèi)部連通，所述超聲速噴 嘴與所述橡膠軟管之間設有第一截止閥;所述橡膠軟管與所述氣源儲罐之間依次設有減壓 閥以及第二截止閥；
[0010]所述空氣壓縮機與所述氣源儲罐連通，且兩者之間設有第三截止閥；
[0011] 所述氣源儲罐上設有安全泄壓閥以及壓力表；
[0012] 所述超聲速噴嘴包括單個或者兩個以上均布的噴嘴單件，所述噴嘴單件包括一個 管道，由其前端至末端方向所述管道的內(nèi)壁面先收縮后擴張，所述內(nèi)壁面為基于三次B樣條 曲線配置軸線馬赫數(shù)分布的特征線方法設計的曲面。
[0013] 以上技術方案中優(yōu)選的，所述噴嘴單件為噴出扁平氣流或柱狀氣流的噴嘴。
[0014] 為了達到更好的技術效果，所述氣源儲罐上還設有與外界氣源連接用的接口管 道，所述接口管道上設有第四截止閥。
[0015] 為了達到更好的技術效果，還包括控制所述超聲速噴嘴在噴出氣流和不噴出氣流 兩者狀態(tài)下進行切換的電磁閥以及與所述電磁閥連接的控制開關。
[0016] 為了達到更好的技術效果，還包括手推式移動小車，所述氣源儲罐以及所述空氣 壓縮機均設置在所述手推式移動小車上。
[0017]應用本實用新型的技術方案，具有以下有益效果：
[0018] (1)本實用新型的流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置包括超聲速噴嘴、橡膠軟管、氣 源儲罐、空氣壓縮機等，整體結(jié)構(gòu)精簡，成本低;采用基于三次B樣條曲線配置軸線馬赫數(shù)分 布的特征線方法設計出的超聲速噴嘴，能夠使噴嘴出口獲得均勻性好、氣流速度精確、不存 集中波系的高品質(zhì)超聲速流場，且其噴出的氣流具有持續(xù)時間長以及穩(wěn)定性好的特點，這 樣可以保證高速氣流對火苗或燃燒物的有效覆蓋率，從而提高滅火效率;采用超聲速噴嘴 的流道設計，利用物質(zhì)在超聲速條件下極難燃燒的原理以及利用廉價和充足的環(huán)境大氣作 為氣源，為抗爭火災提供新的手段，滅火方式不會造成二次污染，綠色環(huán)保;超聲速氣流能 使燃燒物在瞬間就處于極其嚴峻的環(huán)境而無法繼續(xù)維持燃燒，高速氣體所帶來的低溫效應 能夠降低燃燒物溫度使其低于燃點，同時冷凝周圍環(huán)境中的水汽在燃燒物表面形成覆蓋從 而在一定程度上隔離氧氣，另外，高速氣體強大的剪切力可以將分散、沖撞燃燒物，因此，本 實用新型流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置不易對貴重的燃燒物造成破壞，在缺水或某些不 適合用現(xiàn)有滅火手段的場合可以發(fā)揮作用，而且與現(xiàn)有滅火手段配合使用，能夠提高滅火 效率，降低對水資源的消耗。
[0019] (2)本實用新型中噴嘴單件為噴出扁平氣流或柱狀氣流的噴嘴，可以根據(jù)實際需 求選用不同形狀的噴嘴，鑒于噴嘴的形狀不同所產(chǎn)生的超聲速氣流包裹也不同，可以在適 當?shù)膱龊习l(fā)揮各自的功效，實用性強。
[0020] (3)本實用新型中氣源儲罐上還設有與外界氣源連接用的接口管道，該接口管道 用于緊急時與外部氣源連接，以達到快速填充的目的，便于充分利用使用地所具備的大型 氣源或大型壓力裝置等條件，實用性強且能提高滅火效率。
[0021] (4)本實用新型中還包括控制所述超聲速噴嘴開關的電磁閥以及與所述電磁閥連 接的控制開關，便于控制超聲速噴嘴的噴氣，控制方便且能滿足不同的條件。
[0022] (5)本實用新型中還包括手推式移動小車，所述氣源儲罐以及所述空氣壓縮機均 設置在所述手推式移動小車上，便于整個滅火裝置的移動，提高滅火效率。
[0023] 除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本實用新型還有其它的目的、特征和優(yōu) 點。下面將參照圖，對本實用新型作進一步詳細的說明。
【附圖說明】
[0024]構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用新型的 示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當限定。在附圖 中：
[0025] 圖1是本實用新型優(yōu)選實施例1中流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置的整體結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0026] 圖2是圖1中流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置另一角度的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖3是圖1中超聲速噴嘴的F向視圖；
[0028]圖4是圖1中超聲速噴嘴的E-E剖視圖；
[0029] 圖5是圖1中超聲速噴嘴的一種結(jié)構(gòu)不意圖；
[0030] 圖6是圖1中超聲速噴嘴的網(wǎng)格劃分不意圖；
[0031] 圖7是圖1中超聲速噴嘴出口截面的馬赫數(shù)分布圖；
[0032 ]圖8是圖1中超聲速噴嘴由入口至出口方向沿噴嘴中軸線的馬赫數(shù)分布圖；
[0033] 圖9是圖1中超聲速噴嘴由入口至出口方向沿噴嘴中軸線的氣流溫度分布圖；
[0034] 圖10是圖1中超聲速噴嘴由入口至出口方向沿噴嘴中軸線的氣流壓力分布圖；
[0035] 圖11是圖1中超聲速噴嘴的另一種結(jié)構(gòu)不意圖。
【具體實施方式】
[0036] 以下結(jié)合附圖對本實用新型的實施例進行詳細說明，但是本實用新型可以根據(jù)權 利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。
[0037] 實施例1:
[0038] 一種流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置，其設計馬赫數(shù)為2.0的噴嘴，若其氣源的壓 力為8個大氣壓，氣源溫度為25攝氏度，那么在噴嘴出口處形成的超聲速氣流517m/s，氣流 的溫度僅有零下100攝氏度左右，駐點壓力達到5~6個大氣壓。
[0039] 本實用新型流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置的具體結(jié)構(gòu)詳見圖1以及圖2,包括超 聲速噴嘴1、橡膠軟管3、氣源儲罐6、空氣壓縮機11以及手推式移動小車12。
[0040] 所述超聲速噴嘴1的末端通過橡膠軟管3與所述氣源儲罐6的內(nèi)部連通，所述超聲 速噴嘴1與所述橡膠軟管3之間設有第一截止閥2;所述橡膠軟管3與所述氣源儲罐6之間依 次設有減壓閥4以及第二截止閥5。
[0041] 所述空氣壓縮機11與所述氣源儲罐6連通，且兩者之間設有第三截止閥10。
[0042] 所述氣源儲罐6上設有安全泄壓閥7以及壓力表8。
[0043] 所述超聲速噴嘴1包括四個均布的噴嘴單件1.1(噴嘴單件的數(shù)量還可以根據(jù)實際 情況選擇），相鄰兩個所述噴嘴單件的軸線之間的夾角為90°，詳見圖3和圖4。此種采用多個 噴嘴單件的組合的設計，能夠提尚噴嘴噴出氣體的覆蓋面積，能夠提尚氣體的噴射距尚，能 夠減少氣流的消耗，同時也能合理地控制氣流的沖擊力，大大提高滅火效果。
[0044] 所述噴嘴單件1.1可以設計成噴出柱狀氣流的噴嘴，即噴出氣流為軸對稱的形式， 詳見圖3。所述噴嘴單件包括管道，由其前端至末端方向所述管道的內(nèi)壁面先收縮后擴張， 所述內(nèi)壁面為基于三次B樣條曲線配置軸線馬赫數(shù)分布的特征線方法設計的曲面，此種方 法在國防科學技術大學趙玉新于2008年發(fā)表的論文《超聲速混合層時空結(jié)構(gòu)的實驗研究》 中有提及，具體如下：
[0045] 在噴嘴設計中，為了保證壁面的曲率連續(xù)，軸線的馬赫數(shù)應該滿足二階導數(shù)連續(xù)， 因此應該采用合適的插值方法給定馬赫數(shù)分布。傳統(tǒng)的方法一般都是根據(jù)高次曲線兩個端 點分別應該滿足的端點條件確定曲線方程的系數(shù)，進而確定曲線方程。用高次曲線確定馬 赫數(shù)分布有個致命的缺點就是一旦邊界條件給定，曲線形狀便無法調(diào)整，馬赫數(shù)分布也由 此確定，此時很可能會因為曲線某局部區(qū)域曲率過大而導致噴嘴內(nèi)部特征線迭代算法無法 收斂。為了解決這個問題，本實用新型采用了 B樣條曲線。
[0046] B樣條曲線除了具有變差減小性、幾何不變性之外還有局部性、可微性和凸包性。 由于B樣條曲線的局部性，k階B樣條曲線上的點至多與k個控制頂點有關，移動某一控制點， 至多影響該區(qū)間內(nèi)的曲線形狀，其余曲線段不發(fā)生變化，這一特點保證了噴嘴設計中局部 馬赫數(shù)的可調(diào)性;B樣條曲線的可微性表明，每一曲線段內(nèi)部是無限可微的，在節(jié)點處是k-r 次可微的，其中r為節(jié)點的重復度，這一性質(zhì)可以保證噴嘴壁面曲率的連續(xù)性；凸包性保證 了B樣條曲線在個頂點所定義的凸包并集內(nèi)，因此也就不會出現(xiàn)高次插值曲線可能出現(xiàn)的 Gibbs現(xiàn)象。
[0047] 一般說來，噴嘴設計中應該保證壁面曲率連續(xù)，三次B樣條曲線即可滿足該條件， 其和式形式為：
[0048]
[0049] 其中：0<u< l，Vi、Vi+1、Vi+2和Vi+3為控制頂點。由于B樣條曲線的上述性質(zhì)，本案利 用三次B樣條曲線給定噴嘴軸線的馬赫數(shù)分布，然后采用特征線法（該方法為行業(yè)內(nèi)熟知 的)進行內(nèi)部流場的迭代求解。通過適當?shù)恼{(diào)整三次B樣條曲線各個頂點的坐標就可以調(diào)整 噴嘴壁面的曲線形狀，由此實現(xiàn)了可調(diào)型線的超聲速噴嘴設計。
[0050] 由于馬赫數(shù)的分布被三次B樣條曲線配置了，相應的其他流動參數(shù)(溫度、壓力等） 也能夠確定，從而保證了噴嘴流場的均勻性。
[0051]除此之外，所述噴嘴單件1.1還可以設計成噴出扁平氣流的噴嘴，即噴出氣流為二 維的形式，詳見圖11，可以根據(jù)實際需求選用不同形狀的噴嘴，鑒于噴嘴的形狀不同所產(chǎn)生 的超聲速氣流包裹也不同，可以在適當?shù)膱龊习l(fā)揮各自的功效，實用性強。
[0052]軸對稱噴嘴和二維噴嘴在設計上的不同，在于其流場的控制方程的形式不同。但 都是經(jīng)過采用三次B樣條曲線配置軸線(軸對稱噴嘴)或?qū)ΨQ面中軸線(二維噴嘴)馬赫數(shù)然 后采用特征性方法求解流場的過程，從而得到噴嘴的具體型面，詳情如下：
[0053] (1)二維噴嘴的流場控制方程，具體如下：
[0054]
[0055] (2)軸對稱噴嘴的流場控制方程，具體如下：
[0056]
[0057]此處的管道采用鋁合金材質(zhì)，延長其使用壽命，除此之外，還可以根據(jù)實際需求選 用其他(如不銹鋼)等常規(guī)材質(zhì)，實用性強。
[0058]所述氣源儲罐6還設有與外界氣源連接用的接口管道9，所述接口管道9上設有第 四截止閥9.1，該接口管道用于緊急時與外部氣源連接，以達到快速填充的目的，同時也便 于充分利用外部所具備的大型氣源或大型壓力裝置等條件，實用性強且能提高滅火效率。
[0059] 所述氣源儲罐6以及所述空氣壓縮機11均設置在所述手推式移動小車12上，便于 整個滅火裝置的移動，提高滅火效率。
[0060] 本實用新型流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置還包括控制所述超聲速噴嘴1噴出氣 流或不噴出氣流的電磁閥以及與所述電磁閥連接的控制開關，通過控制開關控制電磁閥來 控制超聲速噴嘴1在噴出氣流和不噴出氣流兩種狀態(tài)下進行切換，控制方便且能滿足不同 的條件。
[0061] 本實用新型流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置采用超聲速和空氣源的結(jié)合，利用物 質(zhì)在超聲速條件下極難燃燒的原理以及利用廉價和充足的環(huán)境大氣作為氣源，為抗爭火災 提供新的手段，超聲速氣流能使燃燒物在瞬間就處于極其嚴峻的環(huán)境而無法繼續(xù)維持燃 燒，高速氣體所帶來的低溫效應能夠降低燃燒物溫度使其低于燃點，同時冷凝周圍環(huán)境中 的水汽在燃燒物表面形成覆蓋從而在一定程度上隔離氧氣，另外，高速氣體強大的剪切力 可以將分散、沖撞燃燒物，因此，本實用新型流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置，不易對貴重 的燃燒物造成破壞，在缺水或某些不適合用現(xiàn)有滅火手段的場合可以發(fā)揮作用，而且與現(xiàn) 有滅火手段配合使用，能夠提高滅火效率，降低對水資源的消耗。
[0062] 本實用新型流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置的工作流程如下：
[0063] 先將氣源儲罐6內(nèi)儲備壓縮空氣（也可根據(jù)實際應用的需求采用如氮氣等惰性氣 體作為氣源）；
[0064] 滅火：打開第一截止閥2以及第二截止閥5,將減壓閥4調(diào)節(jié)至合適大小，超聲速噴 嘴1可形成超聲速氣流，橡膠軟管3可以調(diào)整噴嘴的對準方向；
[0065]充氣：當氣源儲罐6內(nèi)壓力不足時，啟動空氣壓縮機11，開啟第三截止閥10,關閉第 一截止閥2、減壓閥4以及第二截止閥5,即可對氣源儲罐6進行充氣；另外，如果有外部大型 氣源或大型壓力裝置，也可以通過預留的接口管道9進行充氣，具體為：打開第四截止閥 9.1，外部氣源經(jīng)接口管道9進入氣源儲罐6;
[0066] 泄壓：當氣源儲罐6因充氣壓力過大時，安全泄壓閥7可自動泄壓，壓力表8也可以 時刻反映氣源儲罐6內(nèi)部的壓力。
[0067] 采用目前廣泛應用的商業(yè)軟件Fluent對所設計的超聲速噴嘴進行數(shù)值仿真模擬， 可以獲得噴嘴氣流的基本參數(shù)分布，詳情如下：
[0068] 1、對噴嘴內(nèi)的流道空間進行數(shù)值離散，得到網(wǎng)格劃分，詳見圖6;
[0069] 2、在Fluent軟件中設置初、邊值條件，計算得到噴嘴的氣流參數(shù)，包括馬赫數(shù)分 布、溫度分布和壓力分布，分別見圖7、圖8、圖9以及圖10,從圖7可以看出，噴嘴出口的馬赫 數(shù)能達到設計指標，并且在整個出口截面內(nèi)馬赫數(shù)保持得很好，具有較大面積的超聲速氣 流覆蓋面;從圖8、圖9以及圖10可以看出，噴嘴的馬赫數(shù)、溫度、壓力等分布在沿中軸線的方 向上非常均勻，噴嘴內(nèi)部沒有明顯的參數(shù)突變和波系結(jié)構(gòu)，從而保證了流場的均勻性和穩(wěn) 定性。
[0070] 綜上所述，仿真的結(jié)果表明：噴嘴內(nèi)的氣流溫度、壓力、馬赫數(shù)分布均勻，出口處的 氣體溫度低（出口溫度為-130°)、壓力和速度達到設計指標。該設計方法得到的噴嘴能夠保 證流場內(nèi)沒有集中的波系結(jié)構(gòu)，流場內(nèi)馬赫數(shù)、溫度、壓力均勻過渡，從而保證了噴嘴出口 確實能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的超聲速氣流，能達到最佳的滅火效果。
[0071] 以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本 領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則 之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置，其特征在于:包括超聲速噴嘴（I)、橡膠軟管 (3)、氣源儲罐(6)以及空氣壓縮機(11); 所述超聲速噴嘴（1)的末端通過橡膠軟管（3)與所述氣源儲罐(6)的內(nèi)部連通，所述超 聲速噴嘴（1)與所述橡膠軟管(3)之間設有第一截止閥（2);所述橡膠軟管(3)與所述氣源儲 罐(6)之間依次設有減壓閥(4)以及第二截止閥（5); 所述空氣壓縮機（11)與所述氣源儲罐(6)連通，且兩者之間設有第三截止閥（10); 所述氣源儲罐(6)上設有安全泄壓閥（7)以及壓力表(8); 所述超聲速噴嘴（1)包括單個或者兩個以上均布的噴嘴單件（1.1)，所述噴嘴單件 (1.1)包括一個管道，由其前端至末端方向所述管道的內(nèi)壁面先收縮后擴張，所述內(nèi)壁面為 基于三次B樣條曲線配置軸線馬赫數(shù)分布的特征線方法設計的曲面。2. 根據(jù)權利要求1所述的流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置，其特征在于:所述噴嘴單件 為噴出扁平氣流或柱狀氣流的噴嘴。3. 根據(jù)權利要求1-2任意一項所述的流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置，其特征在于:所 述氣源儲罐(6)上還設有與外界氣源連接用的接口管道(9)，所述接口管道(9)上設有第四 截止閥（9.1)。4. 根據(jù)權利要求3所述的流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置，其特征在于:還包括控制所 述超聲速噴嘴（1)在噴出氣流和不噴出氣流兩者狀態(tài)下進行切換的電磁閥以及與所述電磁 閥連接的控制開關。5. 根據(jù)權利要求4所述的流場均勻穩(wěn)定的超聲速滅火裝置，其特征在于:還包括手推式 移動小車（12)，所述氣源儲罐(6)以及所述空氣壓縮機（11)均設置在所述手推式移動小車 (12)上。
【文檔編號】A62C31/02GK205460603SQ201620189555
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月11日
【發(fā)明人】陳植, 吳軍強, 吳勇航, 王瑞波, 林學東, 劉光遠, 楊洋, 陳宏濤, 謝疆宇, 陳學孔, 鄧吉龍, 吳冠清
【申請人】中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速空氣動力研究所