毕业论文-超细水雾手提灭火器的研制.doc

北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第 IV 页超细水雾手提灭火器的研制 摘 要细水雾灭火技术以其环保性好、灭火迅速、耗水量低、破坏性小以及适用面宽等特点，已成为国际消防领域关注研究的热点之一。将细水雾应用在移动灭火器上具有重大的社会和经济效益。本文以水为灭火介质，利用气体挤压和液体雾化技术，研制超细水雾手提灭火器。本文分析了气泡雾化的可行性和产生方法，进行了灭火器的总体设计，设计选择了气瓶和压力水罐等辅助系统，设计了气液双路扳机阀，设计了一种气泡雾化喷嘴，最后再试验的基础上做出了一套产品样机。本文重点对气泡雾化技术进行了设计研究，首先，在总结前人理论研究的基础上从两相流理论出发确定了气泡雾化喷嘴的如下重要参数：喷嘴喉部尺寸、喷嘴气孔数、气孔直径、进水孔数目、进水孔直径。在理论上论证了气泡雾化喷嘴雾化的可能性，并且设计了一系列的不同几何参数的喷嘴零件。其次，对设计加工的试件，采用不同方案的试验。验证理论设计的可靠性，通过实验确定了喷嘴喉部尺寸、喷嘴气孔数、气孔直径、气孔分布、水孔数目、水孔直径，使得喷嘴能够满足灭火器的总体要求。关键词：细水雾，喷嘴，两相流，灭火器，阀门Design on Back-Pack Fire Extinguishing Unit of Water Mist AbstractThe advantages of water mist suppression technology, including environment benefit, fast extinguishment, low water consumption and wide practicability, have received considerable attention in international fire science research field. A studying and designing on pack-back fire extinguishing unit of water mist was conducted. Above all, as the paper calculated the system, we choose the gas bottle and water tank which can working in condition of high pressure. Then, we designed a two-path deadline valve. In order to develop a new technique path for new method of producing water mist, we designed an effervescent atomizer based on fluid mechanics of effervescent atomization. At the last we designed a product of fire extinguishing unit. Effervescent atomization is a new method of producing water mist with two-phase fluid. This design includes two parts:Firstly, based on the review of study done before and the theory of two-phase flow, some important parameters of the effervescent atomizer, including the throat diameter, the number of gas holes and the diameters and distributions, the number of water holes and diameters , were determined. The feasibility of the effervescent atomizer was proved theoretically, and a series of atomizer parts, with different geometrical parameters, were designed and made. Secondly, tests were carried out with those test units for different scheme. These tests were to verify the reliability of the theoretical design. With the results observed, the proper throat diameter, the number of gas holes and their diameters and their distributions, the number of water holes and diameters were properly determined so that the effervescent atomizer could be adapted to the extinguishing unit.Keywords: Water mist， Atomizer， Two-phase fluid， Extinguisher，Valve目 录1绪论11.1 项目研究背景和意义11.2 本文研究的内容12水雾灭火理论32.1水雾灭火的优势32.2气泡雾化技术33灭火器总体设计53.1灭火原理53.2主要技术性能的确定63.3总体要求及结构设计63.4辅助部件的设计与选择73.5实际系统所提供的两相流气液比104双路扳机阀门的设计114.1设计方案114.2密封结构分析114.3其它部件的设计134.3.1弹簧的设计与选择134.3.2扳机的设计计算145气泡雾化喷嘴的设计155.1喷嘴设计条件155.2喉部尺寸及长度的确定165.3喷嘴流量特性混合室压力计算175.4气泡发生器的设计计算185.4.1气体流路计算185.4.2水路供水计算195.5加速段的设计206试验样机的产品化226.1试验结果简述226.2对试验样机的改进226.2.1外形的改进226.2.2 阀门与扳机的改进236.2.3 保护挡套的设计236.3改进后的产品样机23结论24致谢25参考文献26北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第 2 页1 绪论1.1 项目研究背景和意义随着现代社会的发展与科学技术的进步。火灾防治在保障生命安全和减小财产损失方面起着越来越重要品的作用。传统的灭火方法是用高压水龙头或泡沫卤化灭火剂灭火，前者灭火效率差，耗水量大，水渍损失大，成本高，而至今仍在使用的卤代烷系列灭火剂（哈龙1301，1211等）则严重破坏大气臭氧层。作为卤代烷系列的主要替代品1，细水雾灭火方法受到全球各国的重视2，并成为当今国际火灾科学前沿的研究热点之一。1.2 本文研究的内容在北航青年创新基金课题超细气水雾手提灭火器的研制支持下，本文开展了超细气水雾手提灭火器的研制工作。细水雾灭火技术由于具有环保及节能的特点而具有广阔的市场前景和经济效益，因而对细水雾系统的研究和开发具有极其重要的现实意义。本论文主要针对超细气水雾手提灭火器进行了开发和研制。本课题主要研究工作内容如下：1、超细气水雾手提灭火器的开发鉴于现有双流体系统有耗气量大，气、液两套管路造成系统成本高，实际使用不便；单流体系统压力高，安全性差的缺点，本课题利用气泡雾化机理研究开发两相雾化系统。搭设实验台，并通过实验检验各部分的设计合理性和可靠性，在实验过程中优化系统设计。该系统的基本工作原理为：利用预先加压的高压气体挤压水，另外引一路气体在喷嘴混合室内和水混合形成气液两相流，最后由喷嘴出口喷出得到细水雾。这样利用新型雾化技术，便可大大降低传统双流介质细水雾系统的耗气量，从而简化系统结构；降低单流介质系统的压力，提高安全性能。2、新型大流量细水雾喷枪的研究喷枪分为两部分：细水雾喷头和扳机阀。细水雾喷头是系统中最为关键的部分。用于消防系统的主要有螺旋式喷头、撞击喷头、离心雾化喷头等，而国内生产的细水雾喷头喷雾粒径一般大于400um ( Dv0.9400um )，由于喷雾粒径大、喷雾动量小而限制其应用。本课题将借助液体燃料雾化喷嘴设计中的成功经验，根据气泡雾化理论利用压缩空气作辅助雾化介质研制开发双流介质细水雾喷枪。双路扳机阀也是本课题研究的内容。3、超细水雾手提灭火器的有效性实验研究我们所设计的超细水雾手提灭火器最终目的是用来进行防火减灾，因而作者对本文设计的实验系统进行了灭火试验以检验该系统的灭火有效性。由于试验场所和条件限制，本文只对劈柴进行简单的灭火试验4、对试验样机的产品化改进我们所制作的“超细水雾灭火器”没有停留在试验阶段，在对试验样机进行了充分的试验后，我们选择了试验部件的最好搭配组合来定型我们的产品样机。产品样机对试验样机的外形、扳机结构进行了改进。另外，考虑到灭火实际中，对消防人员的保护，我们还在产品样机的喷嘴前端加了一个防护挡套。北京航空航天大学第十七届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛论文第 28 页2 水雾灭火理论在移动灭火器中，水的雾化以及雾化程度是灭火的关键，气泡雾化技术为我们的实现提供了可能。在此，现阐述一下超细水雾灭火相比传统灭火手段的优势：2.1 水雾灭火的优势传统灭火器中，我们日常生活中最常见的应该就是泡沫灭火器了，一般的公共场合配备的都是这种灭火器。这种灭火器应用了二氧化碳的阻燃效果和泡沫的隔绝效果，灭火的性能不错。但是，用二氧化碳灭火对人员有一定危险性，而且二氧化碳是温室效应的罪魁祸首；另外，灭火之后留下的泡沫对现场物品是一个很大的破坏，若是图书、文物、计算机等珍贵物品遭受的将是不可修复的损坏。若是换用细水雾灭火器，则灭了火的同时，现场物品只是被水淋湿，造成的附加破坏比泡沫灭火器小得多，事后的清洗也相对容易。还有一种常见的灭火系统就是消防栓，依靠大量水流的冲刷、降温作用来灭火。这种灭火方式中的水，绝大部分都在灭火过程中流失了，并没有发挥出水本身的气化吸热与膨胀隔氧作用。而细水雾灭火则能很好地发挥出细水雾的这两种作用，缩短了灭火时间，也提高了水的利用率。研究表明3，当水雾的SMD（Sauter Mean Diameter，平均直径）为120230m时，（此时以达到超细水雾标准）20秒内熄灭4B油盘火耗水6L。同样利用细水雾灭火原理的灭火系统，在国内也有。但是他们的个头都很大，如“水炮”，依靠高压发射将水团打到火场进行水雾灭火。这种设备不光携带困难、移动不便，而且因其发射的威力巨大，万一打到火场中的人员，必定造成人员伤亡。而我们研制的手提灭火器将更加安全，特别是经过产品样机的改进之后。2.2 气泡雾化技术这里介绍的气泡雾化喷嘴与传统的气动雾化喷嘴有本质区别。气泡雾化首先将气液（通常具有较低气液比）混合成气液两相流形成一种均匀的泡状流，当泡状流高速膨胀时，适当的气泡会爆裂液体，达到雾化目的。将这一两相流应用于喷嘴雾化，就是气泡雾化技术。应该说，气泡雾化最早的形式是闪蒸雾化喷嘴（Flashing Injector）4，它与现在通常所说的气泡雾化喷嘴在两相泡状流发生上有质的不同。它依靠液体等温的从高压区向低压区流动时，足够大的压差导致液体在新地方处于沸腾或过热状态，此时，液体中会形成大量的气泡。将这种状态的两相流体在一定压力下喷出，便可以利用气泡的爆炸完成对液体的雾化。这项技术在国外有许多成功的试验。而究其理论本质，就是泡状流的爆裂。于是整个喷嘴的技术难点显而易见：一是如何将气体混入液体形成泡状流；二是需要控制当中的气体何时释放出来爆裂液体。真正意义上的气泡雾化喷嘴是美国Purdue大学的A. H. Lefebver等人设计的。他们利用一个直射喷嘴，在喷孔上游某个地方将空气直接注入液体。注入的气体形成气泡，在喷嘴内部形成两相流，液体经过喷孔时被气泡挤压成碎片；从喷孔射出后，两相射流中的大量小气泡迅速膨胀爆裂，从而雾化液体。此后，国外学者又有大量的试验研究，探索了喷嘴工况参数对气泡雾化的影响，以及气泡雾化机理的探讨。3 灭火器总体设计3.1 灭火原理以前的水喷淋及消火栓系统中包含了大量的水滴，这些水滴的直径足够大以至于能穿透火焰羽流进而湿润这个燃料表面。因而传统水灭火的灭火机理主要是通过直接冷却效应来扑灭火灾。细水雾的水滴尺寸很小，具有很大的表面积和很高的密度。细水雾灭火系统的灭火机理主要是气化吸热降温作用和隔绝氧气窒息作用来扑灭火灾5：（1） 气化吸热降温作用由于水滴尺寸很小，它的表面积很大，因而水滴表面换热系数增大，在环境温度升高时，可以迅速气化。由热力学可知，水的气化潜热很大，可达2280kJ/kg，远比水的温升吸热量大的多，因而可以吸收大量热量，降低空间的温度。（2） 隔绝氧气窒息作用水滴在气化过程中不仅吸收大量热量，同时体积迅速膨胀，可扩大1700多倍。道尔顿定律指出混合气体总压力等于各组成气（汽）体分压力之和。据计算，对于30 的封闭空间，5升水完全汽化可使相应的氧气压力降低到1.48Pa，即氧气的含量降低到15.05%，从而造成隔绝氧气的窒息作用来达到灭火的目的。另外细水雾在灭一些特别火灾中还存在非主要作用：(1)乳化作用。当扑救油类火灾时，水雾冲击油品表面，形成乳化层，一方面降低了油品的蒸发速度，另一方面由于水雾滴的冲击搅拌作用能使可燃液体表面层产生不燃烧的乳化层，起到阻燃的作用。(2)浸润作用。当用于扑救溶于水的可燃液体火灾时，可产生稀释冲淡效果，降低了燃烧速率，起到了控制火灾的作用。(3)洗涤作用。这是因为燃烧的灰粒、烟尘颗粒与细水雾粘合而得到洗刷，减少烟尘。(4)屏蔽作用。类似于分离效果的作用，减少火源对周围物体的热辐射，同时阻止火灾的扩散，对火灾起遮挡作用。3.2 主要技术性能的确定采用气泡雾化技术作为超细气水雾手提灭火器的雾化方式，供气系统只需要提供不太高的压力和较少的气量，这种选择使得储气瓶的容积和工作压力大大降低，这样提高了灭火器的安全性，可靠性，和便携性。文献表明，细水雾灭火器设备中，主要灭火机理是水蒸气对氧气的稀释作用和自身耗氧6，按照灭标准5A火和5B火的要求7，参考国外灭火器参数8 ，提出灭火器主要性能指标如下：重量： 19Kg 水容量： 12L喷射距离： 1012m平均雾粒直径： 100m流量： 0.4L/s有效灭火面积： 大于61.0（固体类）大于7.3（液体类）3.3 总体要求及结构设计超细气水雾移动灭火器在国内外有相近的产品，如QWMBB12型变压肩负式脉冲灭火枪，以及俄罗斯的LGLA-1-0.4肩负式灭火器都是成熟的产品。参考他们的工作参数以及技术参数，本文确定了灭火器的总体要求如下：灭火器总重： 小于19Kg水雾出口速度： 80120m/s有效工作时间： 30s水雾流量： 0.4L/s工作压力： 56bar为达到灭火器的正常工作，系统通过一个高压气瓶作为灭火器的驱动装置以及气泡雾化喷嘴所需气相射流源以简化结构。高压气瓶放出的高压气通过一个双路减压器分别给水桶和喷枪提供1MP的压缩空气分别用以挤压水流动和参与雾化。储水桶中的水被高压气挤入喷枪在混和室中与高压气体混和形成均匀气泡两相流经加速后喷出喷枪。达到雾化灭火的效果。其总体结构简图如图3.1。图3.1总体结构图3.4 辅助部件的设计与选择 依据总体要求，文章对灭火器辅助系统进行了设计，对各部分组成进行了选择。以下将分别论述各部分的设计。（1）储水量在设计中为了水能够充分利用，即水在灭火过程中全部喷出灭火器，由此，储水量可以用下式计算： （3.1）式中， 水雾流量；T有效工作时间。可以计算出=12L 。按照灭火使用要求，储水桶除了能容纳足量水之外还需要能承受大于1MPa的压力，包含一个能够排放残余高压气体的阀门，以及一套背板。结合结构需要和理论计算选择储水桶实际容积为13L如下图3.2图3.2 高压水罐 图3.3 高压气瓶（2）气瓶容积以及压力为了结构的轻便灵活设计中选用压缩空气作为动力驱动。假设气体的完全利用，气体总质量包含残余气体和参与雾化的气体。后者通过质量含气率求得。按照气泡雾化的要求，质量含气率x大约在3%5%左右。下面过程估算气体总质量。灭火器工作中的气体质量为： （3.2）选x=4%计算得出=0.5Kg工作完成后残留在水桶中的空气质量为由克拉贝隆方程 (3.3)有 (3.4)式中，p为水桶中的残留气体压力这里取p=1MPa；T为环境温度取T=293.15K为空气气体常数 。通过计算有=0.15Kg 。假设气瓶容积为2L则残留在气瓶中的气体质量为=0.02Kg于是总气体质量为： (3.5)=0.67kg 于是可以求出气瓶充气压力为： (3.6)=28MP 。 参考国内外成熟产品，以及通过市场调研，这里选用容积为2L，工作压力为30MPa的碳纤维压缩空气瓶。如图3.3（3）双路减压器高压气瓶内部压力为30MPa，而总体设计所给定的提供给喷枪的气压力为1MPa。这需要一个减压器来完成压力转换，但是，总体提供的喷枪进口压力只是一个估计值，并且在实际工作状态中，汽水两路压力并不一定相同，两路的气压比影响气泡雾化效果，于是，为了实验的方便，这里选择了进口压力为30MPa最高工作压力为35MPa，出口压力为0.13MPa的双路减压器。如图3.4。（4）其他部件的设计对于各部分的连接管路，则选用高压软管，并且依据水罐、气瓶、减压器的接口设计了管路。通过比较，最终确定选者水罐配套管路。为了实现灭火过程中能迅速更换气瓶水罐延长灭火器的灭火时间，这里采用快插接口来连接各个部分，提高了灭火器的反应速度和使用范围。灭火器样机如图3.5。喷枪设计是试验样机研制的中心环节它主要由两部分组成：双路扳机阀和气泡雾化喷嘴。其中双路扳机阀是设计的关键，它关系到灭火器的快速反映安全可靠，而气泡雾化喷嘴是设计的核心，它直接关系到本设计任务的成败。这两项技术在以前都没有成熟的产品，只能依靠自己摸索，创造，对此，文章将在下面两章里分别详述。图3.4 双路减压器 图3.5 灭火器3.5 实际系统所提供的两相流气液比按照上述设计要求选择好灭火器各部件后，可以估算出实际的气液比。气体的质量为 (3.7)有=0.713Kg工作后，同样可以得到残余气体的质量为=0.178Kg；工作中喷出气体质量为m=0.535Kg；气体质量流量=0.0178Kg/s；气液比ALR=4.45%；质量含气率x=4.3%。4 双路扳机阀门的设计4.1 设计方案灭火器的开启由一个阀门来控制。然而，本灭火器的正常工作需要使气路和水路两相流体同时混合的作用。这就意味着需要一个可以同时控制气水两相不同属性的流体，同时还要保证灵敏和可靠（在高压下无泄漏），另外考虑到双路扳机阀是喷枪上的一个部件，这就对阀门的结构质量提出了要求。总的来说阀门设计要求可靠、质轻、反应灵敏并能同时控制气、水两路流体。由于阀体工作压力较高，长期处于液体浸泡中，如果灭火剂中增加添加剂，则还需要能抵抗腐蚀，所以扳机阀材料选用不锈钢。在整个扳机阀的设计过程中，为了保证可靠性，采用了两路并行的流路，通过同时控制两个开关来控制两路流体的混合。为了同时控制好两路的开关，而又避免两路开关阀的影响，两路之间采用柔性连接。双路扳机阀的结构简图如下（图4.1）图4.1 扳机阀结构原理图4.2 密封结构分析人们常把密封结构比作阀门的心脏。密封结构设计的好坏不仅影响阀门的密封性能，而且在很大程度上影响着阀门各部分的结构尺寸。因此，每一个阀门设计中都得注意密封结构形式，尺寸及配对材料的选择9。本阀体与阀杆都是不锈钢材料，在阀体与阀杆轴接触面上，采用间隙配合，并且保证较高的光洁度，然后用两个O型圈实现A段轴的密封，截止部位采用锥面密封。如图4.2所示，为使锥面密封的截止阀能够有效地切断工作介质的流通，必须通过阀瓣2对阀座1施加一个轴向力。通过分析，可以得出下面的结论：（1）为获得同样大小的密封力，密封面的锥角越小，所需的轴向力越小。反之亦然；（2）密封面的锥角愈小，对阀座密封面的水平张力越大。相反，锥角越大，则水平张力越小。由以上结论可知，公称通径较小的阀门，由于阀座具有足够的刚性，不用担心水平张力胀破他的密封面，因而，采用小锥角密封可以有效地减小扳机上的操作力矩。但是，锥角过小也会带来阀瓣长度增加，工作行程大，延长操作时间，而且对工作变化的敏感性也会随之增加。所以本设计中选择锥角为30。密封面的几何参数可采用比压计算法或根据经验公式加以确定，目前尚无现成规范可以遵循。根据G. H. Pearson的公式，要使阀门达到密封要求，必须在阀瓣上施加一个轴向作用力Q，如图4.3，Q的大小应等于下列两力之和：一是工作介质对阀瓣的静压力；一是有密封面粗糙程度及工作介质不同特性所要求的密封力。设密封面外径为（cm），工作介质压力为P（bar）则 （4.1）的大小可由人们的长期实践经验中得到。对于气体： （4.2）图4.2 阀体密封受力分析图4.3 受力分析对于液体水： （4.3）于是 （4.4）密封面的面积 （） （4.5）密封面的比压 （4.6）由此可以得到密封面宽度b的计算式 （4.7）当许用比压力q代替式（4.7）中的q时可以得出密封面的最小宽度值。查表得q=843.7bar。取锥角为30得到=0.243mm试验样机取b=0.37mm4.3 其它部件的设计4.3.1 弹簧的设计与选择扳机阀处于常闭状态，平时的闭锁主要靠弹簧的预紧力来提供。对于一路阀门，所需要的轴向力大小为Q 。有上一节提到的公式4.4可以得出=68.83N于是可以知道单根阀杆上的弹簧预紧力不得低于68.83牛顿。选择弹簧预紧距离为12mm，则弹簧的弹性系数为K （4.8）K=5.8N/mm而在开阀过程中，阀杆的行程为。所以阀门中选择弹簧总长为50mm，弹性系数为5.8N/mm，弹簧的内径依据阀杆连接杆外径选取。4.3.2 扳机的设计计算扳机在扣动时需要拉动两根弹簧移动，而此时扳机作用于阀杆的力为；弹簧的预紧力为；流体压力作用于阀杆的力为。此处为了计算简便，略去阀杆与阀体之间的摩擦力。于是由力平衡关系有： （4.9）同时是两根相同弹簧共同作用的结果，有 （4.10）所以有而流体作用于阀杆的力同样为两部分： （4.11）计算结果为：则扳机上的作用力为：计算表明，弹簧选择合理，开阀力量大小合适。5 气泡雾化喷嘴的设计气泡雾化机理简述如下：在混和腔外壁上，液体通过壁上小孔射入混和腔，并且初次雾化，同时，气体以射流形式引入混和腔，与液体混合，形成气泡流，气泡两相流通过拉瓦尔喷管的加速达到超音速，最后超音速泡状流喷出后，气泡就可以膨胀破碎来雾化液体，达到雾化目的。根据这一雾化机理本文进行了灭火器细水雾喷头的设计工作。具体为：5.1 喷嘴设计条件作为一种新的雾化技术，目前对气泡喷嘴的研究还不够完善，本设计在设计实验样机时设计了一系列实验件，以得到结构以及工况对流场的影响。在确定最佳结构后，拟把它用作灭火器喷嘴。新型喷嘴的设计计算，利用气体动力学，流体力学及其他喷嘴试验所得结论或半经验公式，按照设计条件对喷嘴各部分结构尺寸进行了第一次估算，以确定喷嘴的初始结构参数。在此基础上，根据已有的研究成果和理论，分析各个部分结构变化对雾化效果的可能影响，得出每种几何因素的一系列不同值，完成喷嘴的设计任务。在这里试验样机的设计选择了一种气泡雾化喷嘴方案，其结构简图如图5.1图5.1 由灭火器总体设计要求给出气泡雾化喷嘴的设计条件是：(1) 水流量 =1440Kg/h(2) 气液比 ALR=4.45%(3) 气压 Pa=1MPa由上面的讨论知道，需要估计确定的尺寸有：（1）进气孔的面积；（2）进水孔的面积；（3）喷嘴出口面积。下面是先对气泡流作一些介绍然后再进行喷嘴设计计算。5.2 喉部尺寸及长度的确定为了使气体能量充分应用，设计气体在喉部达到音速并且处于临界状态。喉部压力将为根据气体动力学公式： （5.1）其中为喉部压力；k为比热比；p为系统提供压力。两相流声速公式： （5.2）可以得到，当含气量 从0.1到0.3时，两相泡状流的声速仅为同条件下纯气体的0.2640.173倍左右，也就是86.9m/s56.9m/s。假设气体和液体是分别流过喉部，达到两相流声速的，气液两相流无漂移速度差。那么当=1440Kg/h，流速为86.9m/s，喉部面积应该是气液两相分别占有的面积之和。1、 纯气所占面积 （5.3）2、 纯液所占面积 （5.4）=3.592mm=7.2mm试验样机设计加工了三种喉部面积喷嘴，喉部直径分别为=7.0mm、=7.2mm、=8.0mm。从理论上讲喉部长度应该尽量短10，设计中取长度为3.5mm、3.6mm、4mm，直线段。5.3 喷嘴流量特性混合室压力计算对于喷嘴混合室压力计算目前还没有一个确定的公式和模型，本文根据以前的气泡雾化喷嘴实验结果，通过喷嘴的流量系数来估计喷嘴混合室压力大小。知道实际工况下的液体流量、气体流量以及混合腔的压力即可以得到喷嘴流量系数的值，即： （5.5）其中， 为喉部面积，；为液体流量，Kg/h;为液体密度， ；为大气压力，Pa；为混合室压力，Pa。同时，对于气泡雾化喷嘴流量系数，有如下经验公式10： （5.6）其中L为喉部长度；D为喉部直径；为收敛角；分别为液体与水的粘性； 分别为液体与水的表面张力。对于本文选择的结构，各系数的值分别为：m=0.257，=0.1821，=0.0029 。对于本课题，雾化液体为水，故而公式可以简化为： （5.7）联立方程5.5，5.7代入数据迭代可以解得=8.09Pa。5.4 气泡发生器的设计计算气泡发生器是气泡雾化喷嘴中的一个关键零件，形成多少、多大的气泡直接影响雾化质量和能量的利用。气泡过小，那么由于气泡的能量过小，可能会导致雾化直径过大，而气泡过大，则多余的气泡并不能参与混合，进而增大其液膜面积，而仅仅起推动两相流运动的作用。因此，确定气孔孔径的大小与数目是这个任务的主要内容。5.4.1 气体流路计算本实验中气泡发生器的前端为供气管路。供气压力为1MP，混合室压力为0.809MP，所以这里可以求出流路流量系数 （5.8）同时由=0.8，查气动函数表11，得=0.82由一维定常流动的连续方程： （5.9）式中， 气体流量； 气体流量系数，取=0.85 K 气体常数，对于空气，K=0.0404； 、 气体总参数，其中取=293.15； 气体流道面积； 气体流量函数。计算结果，=3.72mm。根据Kutateladze和Styrikovich所得出的气体射流形成气泡的条件为 （5.10）由于存在，主要不定量，所以不能直接由上式确定气孔孔径。假设气流速度=15m/s；气体压力为0.8MP，293.15K时的气体密度=9.5；=1000。那么如果=0.385mm以此选取以下孔径以及孔数排布如表5.1，最终值通过实验获得。 表5.1 气泡发生器孔气设计排列方式单孔多孔侧面混合孔数n（个）1418361621（端面一个）孔径（mm）44.55210.710.8（端面孔2）5.4.2 水路供水计算能否得到均匀气泡两相流的关键在于气水的均匀混合。水与气的掺混是一个复杂的过程，基本上无法确定，因而水的入室方式也是影响喷嘴成败的一个方面。这就是进水孔的数目与大小的搭配。由液体质量连续方程： （5.11）式中：液体流量；液体流量系数，取=0.9；液体密度，=1000Kg/；进水孔面积；液体射入混合腔的速度；（取=14m/s）液体来流在气液第一次交汇处的压降，=0.098MPa。（=0.91MPa）计算结果，=6.4mm由 试验样机选择了一系列进水孔排布如表5.2。表5.2 进水孔设计数目n（个）162436（密布）36（稀疏）孔径（mm）1.61.3115.5 加速段的设计本设计实验需要对均匀两相流进行加速，以便使其超过声速喷出喷嘴。办法只有用拉瓦尔喷管来实现。这里本文将仿照气体的流动设计一个公式来估计喷嘴出口面积。假设两相流的定压比热和定热容比热分别为和：于是有， （5.12）同时假设气泡两相流的比热比为： （5.13）计算结果为：k=1.003由于出口速度为1.38Ma有：=1.38有 于是有出口面积为 计算得出口直径为=7.7mm综合考虑加工难度，取出口直径为10mm同时对于加速段：收敛角分别取30、60、90；喉部直径分别取7.0mm、7.2mm、8.0mm；喉部长度按照经验分别取3.5mm、3.6mm、4.0mm。喷嘴的完整的结构简图如图5.2 图5.2 气泡雾化喷嘴在本章里，给出了一系列的设计值，但是最终的结构尺寸还需要通过实验选定。6 试验样机的产品化经过试验样机的灭火试验，我们验证了文章中设计的“超细水雾手提灭火器”的在原理上是可行的，在设计中也没有存在大的工程性失误，能够有较好的灭火效果。但是试验样机还存在这么几个问题：（1）外形不合理，整体外形方头方脑，长度比例不很合适，曲线过渡不够圆滑；（2）扳机行程太小，使用舒适感不佳；（3）不能实现喷雾角度与射程的调节，缺少对使用人员的保护。在论述改造过程之前，先简要地总结一下试验得到的结论：6.1 试验结论简述我们对试验样机进行了灭火试验后，得出了这么几条结论：（1） 气、水比例选择合适，喷雾质量、喷雾时间能够满足设计要求；（2） 气泡发生器设计合理，产生的细水雾能够有效地灭掉木火，油火；（3） 气路进入气泡发生器的入口气孔数量、孔径在设计的几个尺寸内产生的喷雾质量没有明显差别；水路入口的水孔数量、孔径影响也同样不明显（由于喷雾出口速度太快，试验设备不够精确，并没有测出具体的SMD值）；（4） 喷嘴之前留出的一段自由行程长短在加工试验范围内对喷雾效果影响不明显；（5） 喷嘴之后加上的一段自由行程会严重影响喷雾效果，使喷雾质量明显下降。6.2 对试验样机的改进针对以上提到的不足，我们着手对试验样机进行了产品化改造。6.2.1 外形的改进试验样机的基本外形属于手枪形，但是又比手枪大、比手枪长，而且手感比较重。为了美化产品，而且显示出我们这个细水雾喷枪的实用性，我们把“手枪”改成了“微冲”：（1） 保证气泡发生器的结构不被破坏的前提下，根据试验结果的第（4）、第（5）点，把枪体加长，并把喷嘴做到了枪体的出口；（2） 在枪体的中部加了一个前把手，使产品样机的手持舒适感更好；（3） 使产品样机在外观上过渡合理、曲线合适，把后盖掏空降低枪体重量。6.2.2 阀门与扳机的改进在产品样机的试验过程中，我们发现原先设计的阀门因为加工精度的原因，还不能达到完全密封，当阀门关闭时还能听到“嘶嘶”声。考虑到1MP的压强并不是很高的压力，在产品样机的设计中，我们将金属密封的阀体结构改成了金属与四氟密封，不但降低了加工要求，而且提高了密封性能。阀门的改进中还涉及到扳机的改进。试验样机的扳机比较暴露，行程太小没有手感。在产品样机中，我们把扳机的结构往手柄和阀体里缩，并在扳机外面加上了一个扳机盖。这样在保证同样能实现扳机的功能的前提下，使枪体机构更加