双喷嘴气动喷撒烟幕粒子的撞击成烟特性研究

刘国生，关 华，宋东明，侯 伟，张祺祺

(1.南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094；2.中国人民解放军71375部队，山东 潍坊，261053)

烟幕的气动喷撒是以气体为动力源，进行烟幕粒子分散的过程[1]。在气流的强烈扰动作用下，烟幕粒子获得一定速度，并随气流在喷嘴外一定距离处形成烟幕云团[2]。目前，烟幕气动分散多以不加干预的单喷嘴喷撒的方式进行[1,3]，喷撒后，烟幕运动速度较快，常借助空气阻力的作用在距喷嘴较远处缓慢扩散成烟，而在喷嘴附近难于形成大面积的稳定烟幕，影响烟幕遮蔽效能。因而，为达到预定的遮蔽效果，烟幕材料的消耗量增大，喷撒成烟效率降低。采用撞击流可以有效强化分散[4]，其基本思想是利用同轴相向(喷嘴间角度α=180°)运动的两股气流相互撞击，产生一个高度湍动区，以增强相间的混合与能量传递。因而，在煤气化、燃烧等毫米级大颗粒的分散中有广泛的应用[5-7]。但将撞击流思想应用于微米级烟幕粒子的分散成烟等相关研究尚未见报道，且将撞击流装置直接用于烟幕分散时，烟幕分散效果较差，不易实现定向喷撒及稳定成烟，为此需对喷撒装置进行优化。

由表5可知，级配碎石基层竣工后其横坡度平均值为0.15%，可以满足规范要求，级配碎石基层在施工时对横坡度指标的控制良好。

本文依据撞击流的基本原理，采用呈一定角度的双喷嘴相对喷撒方式实现烟幕材料的撞击分散，通过高速摄影仪、红外热像仪对烟幕运动状态及成烟遮蔽效能进行分析和测试，考察了喷嘴间角度对烟幕粒子撞击成烟特性的影响。本研究为撞击流在烟幕气动分散中的应用提供参考，对于提高烟幕材料的喷撒成烟效率具有重要意义。

1 实验部分

1.1 烟幕材料

铜粉基烟幕材料，粒度分布D50=8.56 μm。

1.2 实验装置及仪器

采用气动喷撒装置进行烟幕材料的分散成烟，装置由压缩气体气源、烟幕材料储存室、呈一定角度的双喷嘴及固定装置4个部分组成。利用高速摄影仪和摄像机分别从正面和侧面记录烟幕的运动状态，利用红外热像仪从正面测试烟幕的红外遮蔽效能。实验装置布置如图1所示，两标尺刻度精确至分米。

由图3（a）可见，喷撒开始后，烟幕粒子随气流上升并向周围缓慢扩散。统计表明，0.2s时烟幕平均扩散速度为4.1m/s，烟幕扩张角约为22.1°。图3（b）双喷嘴喷撒时，受射流撞击的影响，烟幕上升高度明显降低，扩散范围增大。分析认为，由于气流及烟幕射流的撞击效应，粒子的水平、竖直方向速度分量均有所减小，这符合撞击流原理[4]。但由图3（b）可见，部分烟幕粒子在原射流方向的速度仍较大。这是由于固定两喷嘴时，其轴线并非严格共面，使两股射流间的部分烟幕粒子碰撞不够充分，粒子未受到较强的撞击阻力作用，其能量损失较小，所以仍以一定的速度继续沿原射流方向运动。在0.2s时，烟幕平均扩散速度为 2.5m/s，烟幕扩张角约为 57.4°。可见，相对于单喷嘴，双喷嘴喷撒时，烟幕平均扩散速度降低了39%，烟幕扩张角增大了160%，烟幕扩散速度降低，扩散面积显著增大，提高了成烟效率。

试验设在青海省海南州共和县塘格木镇东格村，平均海拔3050m，高位水浇地，冬灌地。试验区属典型的高原大陆性气候，日照时间长，辐射强，昼夜温差大，降雨相对少而集中，气候干燥，大风日数多，该地区的年平均气温为2.3℃，全年极端最高气温32.1℃，极端最低气温-30℃;日平均≥0℃的天数为200d，积温1700-2100℃，日平均≥5℃的天数为150d，积温1600-2000℃;日平均≥10℃的日数为80d，积温900-600℃：平均降水量274.7mm，年平均日照时数为2670-3036h，年太阳辐射量632.3KJ/cm2[2]。

实验前，将已称重的烟幕材料装填到气动喷撒装置的烟幕材料储存室中，将装置各部分紧密连接，控制气源以特定压力释放气体，在喷嘴外形成烟幕，同时由仪器记录烟幕的运动状态，测试其红外遮蔽效能。

1.3 实验数据处理方法

1.3.1 烟幕扩散速度

Bin 707：名字源于波音707，而非酒窖编号，多产区混酿的单一品种赤霞珠葡萄酒，首个年份1964。

烟幕扩散速度是表征烟幕扩散快慢的物理量。本文取某段时间(100ms)内的速度均值为某时刻的烟幕平均扩散速度，表达式为：

烟幕最大面密度(Ma,max)是当光程等于球顶锥体球缺底面直径时的面密度，Lt= 2rs inθ，则：

1.3.2 烟幕扩张角

图3为开始喷撒至0.2s内，高速摄影仪从正面拍摄的烟幕运动状态图，图 3（b）中喷嘴间角度为α=120°，相邻图幅的时间间隔为 40ms。实验时，单个喷嘴气流进口压力为 0.03MPa(本文实验压力皆为表压)。

烟幕外形等效图见图2，喷撒成烟的外侧边缘可近似视为直线（图 2(a)），烟幕外形近似看作球顶锥体（圆锥顶点与球心重合），将圆锥面顶角（2θ）定义为烟幕扩张角（图 2(b)），它可以表征烟幕的扩散范围，扩张角越大，越有利于大面积分散成烟。烟幕成型后，间隔100ms取烟幕外形图，采用AutoCAD标注角度[8]，标注时共取5～8张图片，取均值作为烟幕扩张角。

图2 烟幕外形等效图Fig.2 Equivalent form of smoke

1.3.3 烟幕面密度

烟幕面密度是沿光程截面积为 1m2的立方体内的烟幕总质量[3]，表达式为：

图4是美国前三轮加息周期中上证指数的月线波浪形态。通过观察不难看出，美国加息时段中的A股存在一个共性之处，即大致都呈现出先跌后涨的V形走势，并与中国股市特有的浪形态势相契合。自2015年12月以来的美联储这轮加息周期时间最长，共已加息9次。2016年1月至今三年时间里，A股主要经历了前两年的缓慢上扬和今年的持续大幅调整。有预期认为2019年美国还将加息两次，那么，中国A股是否会在新的一年里止跌并出现一波上涨呢？目前看来的确有这样的可能。关于近几年A股市场走势的浪形分析，读者朋友可参考上期专栏文章及图示。

式（2）中：Ma为烟幕面密度，g·m-2；Cm为烟幕质量浓度，g·m-3；Lt为光程，m。为研究方便，假定喷撒形成的烟幕为均质等值体[2]，即烟幕浓度是均匀的，则Cm可按如下方法求得：

式（3）中：m为烟幕喷撒质量，g；V为烟幕体积，m3，表达式为：

根据表1、表2中数据对喷撒成烟的浓度进行计算，再由式（5）求得1.0s内烟幕最大面密度(Ma,max)的变化情况，结果如图5所示。

式（1）中：N为高速摄影采集的图片数量；ΔS为相邻图片烟幕上边缘的实际移动距离(△S=ngS，n为比例因子，其值为喷撒装置实际尺寸与图示尺寸之比，S为图示移动距离)；Δt为相邻图片的时间间隔。

式（5）中：q为烟幕质量流率(q=m/t)，定义为烟幕喷撒质量与喷撒时间的比值，kg·s-1；t为喷撒时间，s。

2 结果与讨论

2.1 单喷嘴与双喷嘴撞击喷撒对烟幕扩散特性的影响

目前现有的基于卷积神经网络的肺结节提取方法大致可分为三种：（1）直接提取型。无需对图像进行预处理，直接从胸部CT图像中提取肺结节[7，8]；（2）辅助提取型。经过一系统图像预处理后获得肺实质，使用卷积神经网络从肺实质中提取出肺结节或使用其它方法获得肺实质后使用卷积神经网络来筛除假阳性结节[9，10]；（3）通过特定的系统来提取肺结节，使用卷积神经网络来自动优化系统的参数[12]。

图3 单喷嘴与双喷嘴喷撒时的烟幕运动状态Fig.3 Motion state of smoke sprayed by single-nozzle and dual-nozzle

高速摄影仪：美国 Redlake公司 Motion Xtra HG-100K型；曝光间隔为5fps；最短曝光时间为5μs；拍摄帧频为500。热像仪：美国Flir公司SC7000型，像素分辨率：320×240像素；光谱响应波段：7.7～9.3µm；温度分辨率：<20 mK。黑体：中科院上海技术物理研究所HFY-200B型，温度设为100℃。

由表2可知，随喷嘴间角度减小，烟幕喷撒质量及平均质量流率逐渐增大。这是因为，当喷嘴间角度较小时，喷嘴轴线与竖直方向的夹角越小，受重力作用，烟幕材料与气流的相互作用越充分，材料所受扰动增强，喷撒质量也随之增大。

2.2 喷嘴间不同角度对烟幕扩散特性的影响

双喷嘴喷撒时，喷嘴间角度分别取为150°、120°、90°和60°，单个喷嘴气流进口压力仍为0.03 MPa，烟幕材料装填质量为 40.0g。图 4为喷嘴间不同角度0.20s内烟幕的运动状态(为节省版面，仅列出部分喷嘴间角度的烟幕运动状态图)，相邻图幅时间间隔为40ms。

然后，他们就结婚了。他们婚后的生活看上去很幸福，开始的时候我们经常在电影院的台阶上相遇，要不就是在商店的门口，我从那里走过去，而他们刚好从里面走出来。

图4 不同角度喷撒0.20s内烟幕的运动状态Fig.4 Motion state of smoke sprayed by different angles within 0.20s

由图4可见，双喷嘴喷撒时，烟幕粒子首先沿原喷嘴轴线方向运动，射流碰撞后发生转向，沿竖直方向向上运动，并逐步向外扩散。分析认为，如同撞击流[6,9]，烟幕射流相遇后，粒子在惯性作用下渗入另一喷嘴形成的流场中，在流体阻力的作用下，其水平方向速度分量不断减弱，最终随气流离开碰撞区而转向向上运动，在此期间，粒子间的剧烈碰撞也加快了这一进程。在 0.2s，喷嘴间角度为 150°、120°、90°和60°时，对应的烟幕平均扩散速度分别为1.3 m/s、1.9 m/s、2.5 m/s和3.4 m/s，其值随喷嘴间角度的减小不断增大。分析可知，烟幕射流碰撞后合二为一，当喷嘴间角度较大时，两射流相对方向的速度分量越大，因而碰撞的能量损失越大，速度衰减也越大，所以烟幕粒子在喷嘴附近的停留时间延长，有利于形成较稳定的烟幕；反之，烟幕速度衰减越小，烟幕越不稳定。

基于喷撒成烟效率的考量，且限于高速摄影仪的拍摄范围，本文主要关注喷嘴附近的烟幕扩散运动状态。表1给出了喷撒1.0s内烟幕的扩散统计结果。

合法性是组织社会学研究的重要范畴。对组织合法性的多重界定和分类主要对应不同的制度来源和利益相关者④，广为认可的分类是Scott的规制合法性、规范合法性、认知合法性三分法，分别基于管制性规则、约束性期待和建构性图式三种秩序基础⑤。相关研究可分为制度视角和战略视角。制度视角用合法性来理解组织与制度的关系，解释组织趋同。⑥战略视角认为，组织可以高度控制合法化进程，并通过合法化策略获得、维持或修复合法性。⑦

表1 不同角度喷撒1.0s时烟幕扩散统计结果Tab.1 Statistical data of the diffusion of smoke sprayed by different angles within 1.0s

由表1可知，在1.0s，喷嘴间角度为150°、120°、90°和 60°时，烟幕扩张角分别为 60.2°、57.4°、45.8°和 44.3°，随喷嘴间角度的减小，烟幕扩张角逐渐减小；烟幕平均扩散速度分别为0.5 m/s、0.8 m/s、1.1 m/s和1.6 m/s，随喷嘴间角度的减小，烟幕平均扩散速度逐渐增大。

2.3 喷嘴间不同角度对成烟遮蔽效能的影响

表2为不同角度喷撒时的相关烟幕参数。

表2 不同角度喷撒时的烟幕参数Tab.2 Parameters of smoke sprayed by different angles

由图2可知，温度在30-60℃时，随着温度的升高，多糖提取率呈现逐渐上升的趋势，当温度到70℃时，多糖提取率下降，可能是因为超声温度过高，破坏了多糖的结构，从而影响了多糖的提取率。故选择60℃为最佳超声温度。

式（4）中：r为烟幕实际半径(r=n·R，n为比例因子，计算方法见烟幕扩散速度，R为烟幕图示半径)，m；θ为圆锥面半顶角。

分析表3数据可知,本文方法去噪后信号的信噪比最高,且均方根误差最低。因此本文方法能够实现对微流控芯片信号去噪,并且去噪效果要优于现有的去噪方法。

由图5可见，在0.3s前，α=60°和α=90°时，对应的Ma,max较大。分析认为，在喷撒之初，烟幕体积较小，此时喷撒质量m对Ma,max影响较大，当m较大(表 2)时，Ma,max也较大。在喷撒一定时间后，由于烟幕体积迅速增大，此时随喷嘴间角度的减小，对应Ma,max呈减小趋势，但其变化率逐渐增大。分析式（5）可知，当烟幕质量流率及烟幕扩张角一定时，Ma,max是平均扩散速度(v)及喷撒时间(t)的函数。所以，在同一时刻，当v较大时，Ma,max的变化率也较大。

图5 不同角度喷撒时烟幕最大面密度随时间变化曲线Fig.5 Changing curves of the maximum areal densitysprayed by different angles within 1.0s

当烟幕面密度达到或超过某一数值后，恰好使目标被遮蔽，此面密度称为遮蔽面密度，用Mb表示。假定烟幕透过率Tλ=3%时可实现对红外辐射的全遮蔽[1]，根据Lambert-Beer定律，Mb可表示为：

对于铜粉基烟幕材料，取αλ=0.84m2·g-1[10]，计算得到Mb=4.17g·m-2。经比较可知，不同角度喷撒时均有Ma,max>Mb，这表明 1.0s内，烟幕中均存在可对红外辐射实现全遮蔽的光路路径。但对于α=60°、α=90°的情况，1.0s 时Ma,max已减小至与Mb非常接近，不利于实现对目标的全遮蔽；当α=150°时，Ma,max一直维持在Mb以上较高水平，烟幕扩散速度很小，不利用大面积成烟；而当α=120°时，Ma,max可较长时间维持在Mb以上，且烟幕扩散速度适中，有利于形成遮蔽面积较大的稳定烟幕。

2.4 双喷嘴气动喷撒成烟的红外遮蔽性能测试

图 6为不同时刻烟幕对红外热像仪的干扰效果图，其中图6 (a)为背景的热像图。实验时，喷嘴间角度为120°，喷撒时间约为3.0s。

由图6可见，在1.0s时，烟幕已在光路上大面积扩散，当前无法从背景中分辨出目标，实现了对目标的全遮蔽。所以，双喷嘴喷撒时，可在目标与探测器之间形成具有有效遮蔽浓度及有效遮蔽面积的烟幕，实现对目标的遮蔽作用。在8.0s时，烟幕对目标的遮蔽效能有所减弱，这是扩散及重力沉降作用使光路上烟幕粒子的浓度降低造成的。

图6 不同时刻的红外热像仪干扰效果Fig.6 Jamming effect of thermal infrared imager at different time

3 结论

（1）相对于单喷嘴，双喷嘴喷撒时(α=120°)，由于气流及烟幕的撞击效应，烟幕平均扩散速度降低了39%、烟幕扩张角增大了160%，双喷嘴喷撒更有利于在喷嘴附近形成大面积的稳定烟幕，提高成烟效率。

（2）喷嘴间角度大小对成烟特性有显著影响，当角度为150°、120°、90°和60°时，在1.0s内对应的烟幕平均扩散速度分别为0.5m/s、0.8 m/s、1.1 m/s和1.6 m/s，烟幕扩张角分别为 60.2°、57.4°、45.8°和44.3°，随着喷嘴间角度减小，烟幕扩散速度逐渐增大，烟幕扩张角逐渐减小。持续喷撒一定时间，烟幕最大面密度随喷嘴间角度的减小逐渐减小，烟幕的遮蔽效能逐渐变差。

（3）采用双喷嘴喷撒时，可在光路上形成具有有效浓度及有效面积的烟幕，实现对目标的遮蔽作用。

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