雙噴嘴氣動噴撒煙幕粒子的撞擊成煙特性研究

劉國生，關(guān) 華，宋東明，侯 偉，張祺祺

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094；2.中國人民解放軍71375部隊(duì)，山東 濰坊，261053)

煙幕的氣動噴撒是以氣體為動力源，進(jìn)行煙幕粒子分散的過程[1]。在氣流的強(qiáng)烈擾動作用下，煙幕粒子獲得一定速度，并隨氣流在噴嘴外一定距離處形成煙幕云團(tuán)[2]。目前，煙幕氣動分散多以不加干預(yù)的單噴嘴噴撒的方式進(jìn)行[1,3]，噴撒后，煙幕運(yùn)動速度較快，常借助空氣阻力的作用在距噴嘴較遠(yuǎn)處緩慢擴(kuò)散成煙，而在噴嘴附近難于形成大面積的穩(wěn)定煙幕，影響煙幕遮蔽效能。因而，為達(dá)到預(yù)定的遮蔽效果，煙幕材料的消耗量增大，噴撒成煙效率降低。采用撞擊流可以有效強(qiáng)化分散[4]，其基本思想是利用同軸相向(噴嘴間角度α=180°)運(yùn)動的兩股氣流相互撞擊，產(chǎn)生一個高度湍動區(qū)，以增強(qiáng)相間的混合與能量傳遞。因而，在煤氣化、燃燒等毫米級大顆粒的分散中有廣泛的應(yīng)用[5-7]。但將撞擊流思想應(yīng)用于微米級煙幕粒子的分散成煙等相關(guān)研究尚未見報道，且將撞擊流裝置直接用于煙幕分散時，煙幕分散效果較差，不易實(shí)現(xiàn)定向噴撒及穩(wěn)定成煙，為此需對噴撒裝置進(jìn)行優(yōu)化。

由表5可知，級配碎石基層竣工后其橫坡度平均值為0.15%，可以滿足規(guī)范要求，級配碎石基層在施工時對橫坡度指標(biāo)的控制良好。

本文依據(jù)撞擊流的基本原理，采用呈一定角度的雙噴嘴相對噴撒方式實(shí)現(xiàn)煙幕材料的撞擊分散，通過高速攝影儀、紅外熱像儀對煙幕運(yùn)動狀態(tài)及成煙遮蔽效能進(jìn)行分析和測試，考察了噴嘴間角度對煙幕粒子撞擊成煙特性的影響。本研究為撞擊流在煙幕氣動分散中的應(yīng)用提供參考，對于提高煙幕材料的噴撒成煙效率具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 煙幕材料

銅粉基煙幕材料，粒度分布D50=8.56 μm。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及儀器

采用氣動噴撒裝置進(jìn)行煙幕材料的分散成煙，裝置由壓縮氣體氣源、煙幕材料儲存室、呈一定角度的雙噴嘴及固定裝置4個部分組成。利用高速攝影儀和攝像機(jī)分別從正面和側(cè)面記錄煙幕的運(yùn)動狀態(tài)，利用紅外熱像儀從正面測試煙幕的紅外遮蔽效能。實(shí)驗(yàn)裝置布置如圖1所示，兩標(biāo)尺刻度精確至分米。

由圖3（a）可見，噴撒開始后，煙幕粒子隨氣流上升并向周圍緩慢擴(kuò)散。統(tǒng)計(jì)表明，0.2s時煙幕平均擴(kuò)散速度為4.1m/s，煙幕擴(kuò)張角約為22.1°。圖3（b）雙噴嘴噴撒時，受射流撞擊的影響，煙幕上升高度明顯降低，擴(kuò)散范圍增大。分析認(rèn)為，由于氣流及煙幕射流的撞擊效應(yīng)，粒子的水平、豎直方向速度分量均有所減小，這符合撞擊流原理[4]。但由圖3（b）可見，部分煙幕粒子在原射流方向的速度仍較大。這是由于固定兩噴嘴時，其軸線并非嚴(yán)格共面，使兩股射流間的部分煙幕粒子碰撞不夠充分，粒子未受到較強(qiáng)的撞擊阻力作用，其能量損失較小，所以仍以一定的速度繼續(xù)沿原射流方向運(yùn)動。在0.2s時，煙幕平均擴(kuò)散速度為 2.5m/s，煙幕擴(kuò)張角約為 57.4°?？梢?，相對于單噴嘴，雙噴嘴噴撒時，煙幕平均擴(kuò)散速度降低了39%，煙幕擴(kuò)張角增大了160%，煙幕擴(kuò)散速度降低，擴(kuò)散面積顯著增大，提高了成煙效率。

試驗(yàn)設(shè)在青海省海南州共和縣塘格木鎮(zhèn)東格村，平均海拔3050m，高位水澆地，冬灌地。試驗(yàn)區(qū)屬典型的高原大陸性氣候，日照時間長，輻射強(qiáng)，晝夜溫差大，降雨相對少而集中，氣候干燥，大風(fēng)日數(shù)多，該地區(qū)的年平均氣溫為2.3℃，全年極端最高氣溫32.1℃，極端最低氣溫-30℃;日平均≥0℃的天數(shù)為200d，積溫1700-2100℃，日平均≥5℃的天數(shù)為150d，積溫1600-2000℃;日平均≥10℃的日數(shù)為80d，積溫900-600℃：平均降水量274.7mm，年平均日照時數(shù)為2670-3036h，年太陽輻射量632.3KJ/cm2[2]。

實(shí)驗(yàn)前，將已稱重的煙幕材料裝填到氣動噴撒裝置的煙幕材料儲存室中，將裝置各部分緊密連接，控制氣源以特定壓力釋放氣體，在噴嘴外形成煙幕，同時由儀器記錄煙幕的運(yùn)動狀態(tài)，測試其紅外遮蔽效能。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 煙幕擴(kuò)散速度

Bin 707：名字源于波音707，而非酒窖編號，多產(chǎn)區(qū)混釀的單一品種赤霞珠葡萄酒，首個年份1964。

煙幕擴(kuò)散速度是表征煙幕擴(kuò)散快慢的物理量。本文取某段時間(100ms)內(nèi)的速度均值為某時刻的煙幕平均擴(kuò)散速度，表達(dá)式為：

煙幕最大面密度(Ma,max)是當(dāng)光程等于球頂錐體球缺底面直徑時的面密度，Lt= 2rs inθ，則：

1.3.2 煙幕擴(kuò)張角

圖3為開始噴撒至0.2s內(nèi)，高速攝影儀從正面拍攝的煙幕運(yùn)動狀態(tài)圖，圖 3（b）中噴嘴間角度為α=120°，相鄰圖幅的時間間隔為 40ms。實(shí)驗(yàn)時，單個噴嘴氣流進(jìn)口壓力為 0.03MPa(本文實(shí)驗(yàn)壓力皆為表壓)。

煙幕外形等效圖見圖2，噴撒成煙的外側(cè)邊緣可近似視為直線（圖 2(a)），煙幕外形近似看作球頂錐體（圓錐頂點(diǎn)與球心重合），將圓錐面頂角（2θ）定義為煙幕擴(kuò)張角（圖 2(b)），它可以表征煙幕的擴(kuò)散范圍，擴(kuò)張角越大，越有利于大面積分散成煙。煙幕成型后，間隔100ms取煙幕外形圖，采用AutoCAD標(biāo)注角度[8]，標(biāo)注時共取5～8張圖片，取均值作為煙幕擴(kuò)張角。

圖2 煙幕外形等效圖Fig.2 Equivalent form of smoke

1.3.3 煙幕面密度

煙幕面密度是沿光程截面積為 1m2的立方體內(nèi)的煙幕總質(zhì)量[3]，表達(dá)式為：

圖4是美國前三輪加息周期中上證指數(shù)的月線波浪形態(tài)。通過觀察不難看出，美國加息時段中的A股存在一個共性之處，即大致都呈現(xiàn)出先跌后漲的V形走勢，并與中國股市特有的浪形態(tài)勢相契合。自2015年12月以來的美聯(lián)儲這輪加息周期時間最長，共已加息9次。2016年1月至今三年時間里，A股主要經(jīng)歷了前兩年的緩慢上揚(yáng)和今年的持續(xù)大幅調(diào)整。有預(yù)期認(rèn)為2019年美國還將加息兩次，那么，中國A股是否會在新的一年里止跌并出現(xiàn)一波上漲呢？目前看來的確有這樣的可能。關(guān)于近幾年A股市場走勢的浪形分析，讀者朋友可參考上期專欄文章及圖示。

式（2）中：Ma為煙幕面密度，g·m-2；Cm為煙幕質(zhì)量濃度，g·m-3；Lt為光程，m。為研究方便，假定噴撒形成的煙幕為均質(zhì)等值體[2]，即煙幕濃度是均勻的，則Cm可按如下方法求得：

式（3）中：m為煙幕噴撒質(zhì)量，g；V為煙幕體積，m3，表達(dá)式為：

根據(jù)表1、表2中數(shù)據(jù)對噴撒成煙的濃度進(jìn)行計(jì)算，再由式（5）求得1.0s內(nèi)煙幕最大面密度(Ma,max)的變化情況，結(jié)果如圖5所示。

式（1）中：N為高速攝影采集的圖片數(shù)量；ΔS為相鄰圖片煙幕上邊緣的實(shí)際移動距離(△S=ngS，n為比例因子，其值為噴撒裝置實(shí)際尺寸與圖示尺寸之比，S為圖示移動距離)；Δt為相鄰圖片的時間間隔。

式（5）中：q為煙幕質(zhì)量流率(q=m/t)，定義為煙幕噴撒質(zhì)量與噴撒時間的比值，kg·s-1；t為噴撒時間，s。

2 結(jié)果與討論

2.1 單噴嘴與雙噴嘴撞擊噴撒對煙幕擴(kuò)散特性的影響

目前現(xiàn)有的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的肺結(jié)節(jié)提取方法大致可分為三種：（1）直接提取型。無需對圖像進(jìn)行預(yù)處理，直接從胸部CT圖像中提取肺結(jié)節(jié)[7，8]；（2）輔助提取型。經(jīng)過一系統(tǒng)圖像預(yù)處理后獲得肺實(shí)質(zhì)，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從肺實(shí)質(zhì)中提取出肺結(jié)節(jié)或使用其它方法獲得肺實(shí)質(zhì)后使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來篩除假陽性結(jié)節(jié)[9，10]；（3）通過特定的系統(tǒng)來提取肺結(jié)節(jié)，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來自動優(yōu)化系統(tǒng)的參數(shù)[12]。

圖3 單噴嘴與雙噴嘴噴撒時的煙幕運(yùn)動狀態(tài)Fig.3 Motion state of smoke sprayed by single-nozzle and dual-nozzle

高速攝影儀：美國 Redlake公司 Motion Xtra HG-100K型；曝光間隔為5fps；最短曝光時間為5μs；拍攝幀頻為500。熱像儀：美國Flir公司SC7000型，像素分辨率：320×240像素；光譜響應(yīng)波段：7.7～9.3μm；溫度分辨率：<20 mK。黑體：中科院上海技術(shù)物理研究所HFY-200B型，溫度設(shè)為100℃。

由表2可知，隨噴嘴間角度減小，煙幕噴撒質(zhì)量及平均質(zhì)量流率逐漸增大。這是因?yàn)?，?dāng)噴嘴間角度較小時，噴嘴軸線與豎直方向的夾角越小，受重力作用，煙幕材料與氣流的相互作用越充分，材料所受擾動增強(qiáng)，噴撒質(zhì)量也隨之增大。

2.2 噴嘴間不同角度對煙幕擴(kuò)散特性的影響

雙噴嘴噴撒時，噴嘴間角度分別取為150°、120°、90°和60°，單個噴嘴氣流進(jìn)口壓力仍為0.03 MPa，煙幕材料裝填質(zhì)量為 40.0g。圖 4為噴嘴間不同角度0.20s內(nèi)煙幕的運(yùn)動狀態(tài)(為節(jié)省版面，僅列出部分噴嘴間角度的煙幕運(yùn)動狀態(tài)圖)，相鄰圖幅時間間隔為40ms。

然后，他們就結(jié)婚了。他們婚后的生活看上去很幸福，開始的時候我們經(jīng)常在電影院的臺階上相遇，要不就是在商店的門口，我從那里走過去，而他們剛好從里面走出來。

圖4 不同角度噴撒0.20s內(nèi)煙幕的運(yùn)動狀態(tài)Fig.4 Motion state of smoke sprayed by different angles within 0.20s

由圖4可見，雙噴嘴噴撒時，煙幕粒子首先沿原噴嘴軸線方向運(yùn)動，射流碰撞后發(fā)生轉(zhuǎn)向，沿豎直方向向上運(yùn)動，并逐步向外擴(kuò)散。分析認(rèn)為，如同撞擊流[6,9]，煙幕射流相遇后，粒子在慣性作用下滲入另一噴嘴形成的流場中，在流體阻力的作用下，其水平方向速度分量不斷減弱，最終隨氣流離開碰撞區(qū)而轉(zhuǎn)向向上運(yùn)動，在此期間，粒子間的劇烈碰撞也加快了這一進(jìn)程。在 0.2s，噴嘴間角度為 150°、120°、90°和60°時，對應(yīng)的煙幕平均擴(kuò)散速度分別為1.3 m/s、1.9 m/s、2.5 m/s和3.4 m/s，其值隨噴嘴間角度的減小不斷增大。分析可知，煙幕射流碰撞后合二為一，當(dāng)噴嘴間角度較大時，兩射流相對方向的速度分量越大，因而碰撞的能量損失越大，速度衰減也越大，所以煙幕粒子在噴嘴附近的停留時間延長，有利于形成較穩(wěn)定的煙幕；反之，煙幕速度衰減越小，煙幕越不穩(wěn)定。

基于噴撒成煙效率的考量，且限于高速攝影儀的拍攝范圍，本文主要關(guān)注噴嘴附近的煙幕擴(kuò)散運(yùn)動狀態(tài)。表1給出了噴撒1.0s內(nèi)煙幕的擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

合法性是組織社會學(xué)研究的重要范疇。對組織合法性的多重界定和分類主要對應(yīng)不同的制度來源和利益相關(guān)者④，廣為認(rèn)可的分類是Scott的規(guī)制合法性、規(guī)范合法性、認(rèn)知合法性三分法，分別基于管制性規(guī)則、約束性期待和建構(gòu)性圖式三種秩序基礎(chǔ)⑤。相關(guān)研究可分為制度視角和戰(zhàn)略視角。制度視角用合法性來理解組織與制度的關(guān)系，解釋組織趨同。⑥戰(zhàn)略視角認(rèn)為，組織可以高度控制合法化進(jìn)程，并通過合法化策略獲得、維持或修復(fù)合法性。⑦

表1 不同角度噴撒1.0s時煙幕擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical data of the diffusion of smoke sprayed by different angles within 1.0s

由表1可知，在1.0s，噴嘴間角度為150°、120°、90°和 60°時，煙幕擴(kuò)張角分別為 60.2°、57.4°、45.8°和 44.3°，隨噴嘴間角度的減小，煙幕擴(kuò)張角逐漸減??；煙幕平均擴(kuò)散速度分別為0.5 m/s、0.8 m/s、1.1 m/s和1.6 m/s，隨噴嘴間角度的減小，煙幕平均擴(kuò)散速度逐漸增大。

2.3 噴嘴間不同角度對成煙遮蔽效能的影響

表2為不同角度噴撒時的相關(guān)煙幕參數(shù)。

表2 不同角度噴撒時的煙幕參數(shù)Tab.2 Parameters of smoke sprayed by different angles

由圖2可知，溫度在30-60℃時，隨著溫度的升高，多糖提取率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，當(dāng)溫度到70℃時，多糖提取率下降，可能是因?yàn)槌暅囟冗^高，破壞了多糖的結(jié)構(gòu)，從而影響了多糖的提取率。故選擇60℃為最佳超聲溫度。

式（4）中：r為煙幕實(shí)際半徑(r=n·R，n為比例因子，計(jì)算方法見煙幕擴(kuò)散速度，R為煙幕圖示半徑)，m；θ為圓錐面半頂角。

分析表3數(shù)據(jù)可知,本文方法去噪后信號的信噪比最高,且均方根誤差最低。因此本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)對微流控芯片信號去噪,并且去噪效果要優(yōu)于現(xiàn)有的去噪方法。

由圖5可見，在0.3s前，α=60°和α=90°時，對應(yīng)的Ma,max較大。分析認(rèn)為，在噴撒之初，煙幕體積較小，此時噴撒質(zhì)量m對Ma,max影響較大，當(dāng)m較大(表 2)時，Ma,max也較大。在噴撒一定時間后，由于煙幕體積迅速增大，此時隨噴嘴間角度的減小，對應(yīng)Ma,max呈減小趨勢，但其變化率逐漸增大。分析式（5）可知，當(dāng)煙幕質(zhì)量流率及煙幕擴(kuò)張角一定時，Ma,max是平均擴(kuò)散速度(v)及噴撒時間(t)的函數(shù)。所以，在同一時刻，當(dāng)v較大時，Ma,max的變化率也較大。

圖5 不同角度噴撒時煙幕最大面密度隨時間變化曲線Fig.5 Changing curves of the maximum areal densitysprayed by different angles within 1.0s

當(dāng)煙幕面密度達(dá)到或超過某一數(shù)值后，恰好使目標(biāo)被遮蔽，此面密度稱為遮蔽面密度，用Mb表示。假定煙幕透過率Tλ=3%時可實(shí)現(xiàn)對紅外輻射的全遮蔽[1]，根據(jù)Lambert-Beer定律，Mb可表示為：

對于銅粉基煙幕材料，取αλ=0.84m2·g-1[10]，計(jì)算得到Mb=4.17g·m-2。經(jīng)比較可知，不同角度噴撒時均有Ma,max>Mb，這表明 1.0s內(nèi)，煙幕中均存在可對紅外輻射實(shí)現(xiàn)全遮蔽的光路路徑。但對于α=60°、α=90°的情況，1.0s 時Ma,max已減小至與Mb非常接近，不利于實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的全遮蔽；當(dāng)α=150°時，Ma,max一直維持在Mb以上較高水平，煙幕擴(kuò)散速度很小，不利用大面積成煙；而當(dāng)α=120°時，Ma,max可較長時間維持在Mb以上，且煙幕擴(kuò)散速度適中，有利于形成遮蔽面積較大的穩(wěn)定煙幕。

2.4 雙噴嘴氣動噴撒成煙的紅外遮蔽性能測試

圖 6為不同時刻煙幕對紅外熱像儀的干擾效果圖，其中圖6 (a)為背景的熱像圖。實(shí)驗(yàn)時，噴嘴間角度為120°，噴撒時間約為3.0s。

由圖6可見，在1.0s時，煙幕已在光路上大面積擴(kuò)散，當(dāng)前無法從背景中分辨出目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的全遮蔽。所以，雙噴嘴噴撒時，可在目標(biāo)與探測器之間形成具有有效遮蔽濃度及有效遮蔽面積的煙幕，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的遮蔽作用。在8.0s時，煙幕對目標(biāo)的遮蔽效能有所減弱，這是擴(kuò)散及重力沉降作用使光路上煙幕粒子的濃度降低造成的。

圖6 不同時刻的紅外熱像儀干擾效果Fig.6 Jamming effect of thermal infrared imager at different time

3 結(jié)論

（1）相對于單噴嘴，雙噴嘴噴撒時(α=120°)，由于氣流及煙幕的撞擊效應(yīng)，煙幕平均擴(kuò)散速度降低了39%、煙幕擴(kuò)張角增大了160%，雙噴嘴噴撒更有利于在噴嘴附近形成大面積的穩(wěn)定煙幕，提高成煙效率。

（2）噴嘴間角度大小對成煙特性有顯著影響，當(dāng)角度為150°、120°、90°和60°時，在1.0s內(nèi)對應(yīng)的煙幕平均擴(kuò)散速度分別為0.5m/s、0.8 m/s、1.1 m/s和1.6 m/s，煙幕擴(kuò)張角分別為 60.2°、57.4°、45.8°和44.3°，隨著噴嘴間角度減小，煙幕擴(kuò)散速度逐漸增大，煙幕擴(kuò)張角逐漸減小。持續(xù)噴撒一定時間，煙幕最大面密度隨噴嘴間角度的減小逐漸減小，煙幕的遮蔽效能逐漸變差。

（3）采用雙噴嘴噴撒時，可在光路上形成具有有效濃度及有效面積的煙幕，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的遮蔽作用。

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