用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管的制作方法

本申请涉及消防装备及多相流混合喷射，尤其涉及一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管。

背景技术：

1、当前，凝胶泡沫作为一种新型的高效灭火与防护材料，因其具有优异的附着性、隔热阻燃性能以及阻氧窒息效果，近年来在消防灭火、锂电池及新能源热失控火灾阻隔抑制、危险化学品泄漏应急处置等领域得到了广泛关注。凝胶泡沫的施用过程通常要求气、液两相及凝胶基质进行快速、均匀的混合与高效发泡，并形成具有高动量、稳定流态和理想覆盖范围的喷射射流。

2、常用的导流管有两种，一种在射流管内设置带有中心轴的螺旋螺杆或导流芯，另一种为直通式或简单缩径结构的导流管。凝胶泡沫流体具有极其复杂的物理化学特性，通常表现为高粘度、非牛顿流体行为（如显着的剪切稀化特性）。上述第一种结构的导流管以实体芯轴及叶片占据流道中心，不仅增大流阻，且凝胶泡沫容易在管道输送中发生团聚阻塞。第二种结构的导流管在喷施此类高粘度、非牛顿流变特性的流体时存在如下诸多技术瓶颈：

3、直通式或简单缩径结构，流体在管内的流动呈相对单一的轴向加速或无序湍动，高粘度凝胶在进入喉部前无法获得有效的预分散和加速撞击，容易在管壁边界层堆积，不仅增大了流动阻力，还导致管路中心与贴壁面处的流体混合不均匀。

4、喷射管路通常仅依靠喉部的局部负压进行被动自吸，其渐缩段和渐扩段内部多为光滑过渡，在处理高粘度凝胶时，光滑渐缩段内的单纯轴向加速容易导致气液接触面积有限。

5、在渐扩（压）阶段，流体由于通道截面扩大而面临逆压力梯度，对于高粘非牛顿流体，逆压力梯度极易导致流体发生边界层分离、产生流动滞止或形成无序的大尺度回流区，这不仅严重损耗了射流的动能（导致射流出口速度降低、喷射距离缩短），而且使得吸入的空气与凝胶基质无法进行深度的微尺度剪切混合，最终导致喷施出的泡沫泡径分布不均、析液偏快、发泡倍数偏低。

技术实现思路

1、本申请提供了一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管，以至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。本申请的技术方案如下：

2、本申请实施例提出了一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管，包括圆管主体，所述圆管主体包括沿流体流动方向依次平滑连接的渐缩段、喉部和渐扩段；

3、所述渐缩段的内壁设置有多个沿渐缩段周向均匀分布的渐缩型旋绕导流翼片，所述渐缩型旋绕导流翼片呈螺旋状固定于渐缩段的内壁；

4、所述渐扩段的内壁设置有多个沿渐扩段周向均匀分布的长楔体剪切脊，所述长楔体剪切脊呈三棱锥状结构；

5、所述渐扩段的侧壁上位于所述长楔体剪切脊的上游位置处开设有至少一个径向的自吸孔，以连接外部气体。

6、在一些实现方式中，所述渐缩型旋绕导流翼片沿所述圆管主体的轴线呈周向等角度对称分布，多个渐缩型旋绕导流翼片的螺旋方向一致。

7、在一些实现方式中，所述渐缩型旋绕导流翼片的节距随管径收缩渐变缩减，所述渐缩型旋绕导流翼片的旋转偏角满足如下要求，每8cm长度内的旋转偏角小于120°。

8、在一些实现方式中，所述三棱锥状结构包括一个朝向所述喉部平缓过渡的迎流斜坡面和两个朝向圆管主体侧壁过渡的流道侧坡面，两个所述流道侧坡面的交线构成顶脊线，两个所述流道侧坡面对称设置。

9、在一些实现方式中，所述长楔体剪切脊的顶脊线平行于所述圆管主体的轴线。

10、在一些实现方式中，所述渐缩段的内壁设置有五个渐缩型旋绕导流翼片，所述渐扩段的内壁设置有六个长楔体剪切脊。

11、在一些实现方式中，所述渐缩段的入口管径d1、所述喉部的最小管径d2以及所述渐扩段的出口管径d3满足如下比例关系：d1:d2:d3=3.25:1:6.5。

12、在一些实现方式中，所述长楔体剪切脊的径向最大凸起高度h满足：0.15 d2 ≤ h≤ 0.3 d2。

13、在一些实现方式中，所述渐缩段采用渐变曲率的收缩曲线进行缩径过渡。

14、在一些实现方式中，所述入口管径d1为26mm，所述最小管径d2为8mm，所述出口管径d3为52mm；所述圆管主体的轴向总长度为250mm，所述自吸孔的孔径为2.4mm。

15、本申请具有如下优点和有益效果：

16、本申请针对凝胶流体等高粘度、剪切稀化的非牛顿流体力学特性，通过在渐缩段引入多个渐缩型旋绕导流翼片，将通过射流管的流体的部分轴向动能转化为周向旋转动能，能够对流体施加强烈的周向剪切力，这种主动剪切作用在凝胶流体进入喉部前大幅度降低了其显性视粘度，减轻了流动阻力，有效规避了高粘流体在管壁边界层的滞止与堆积，不会阻碍泡沫凝胶的喷射，实现了非牛顿流体的自适应剪切稀化与低阻高效输送。

17、本申请通过多个渐缩型旋绕导流翼片梳理流线，使流体呈有序的螺旋流线束在三维空间内收紧，能够有效提升喉部的最大流速，从而增强了自吸孔处的静压降，形成了更强的负压真空度，大幅度提高了空气或其它介质的吸入速率与气液掺混比。

18、本申请通过多个渐缩型旋绕导流翼片实现的螺旋强剪切与离心力的双重作用，使主流在进入喉部前即完成了深度的空间分散，有效提升了缩径段截面处的湍流强度，使得凝胶基质在喉部与吸入的空气接触的瞬间即可实现极高效率的弥散式预混合，从而构筑高强度湍流预混场，增强了预混效果、发泡效率及泡沫的细密均匀稳定性，奠定优异的发泡基础。

19、本申请通过在渐扩段设置多个呈三棱锥状的长楔体剪切脊，当高速气液混合物沿长楔体剪切脊的平缓坡面爬升并向两侧滑落时，流动被迫发生局部受控分离，并在长楔体剪切脊两侧对称诱导产生一对反向旋转的纵向锥状涡旋，这些纵向锥状涡旋深入主流，构建了局部的高剪切应力场与高湍动能耗散区，源源不断地将吸入的大气泡粉碎为微米级微泡，并防止凝胶颗粒二次团聚，显著改善了凝胶泡沫的析液稳定性与发泡均匀性，实现主动调控逆压力梯度下的边界层分离，构筑双涡横向强剪切场；能够在泡沫凝胶中强化剪切拉伸与二次涡旋，强化剪切可以细化泡沫凝胶的发泡，将大气泡逐级破碎为尺寸均匀的细腻气泡，同步实现强化预混提升、发泡倍率提升、泡沫稳定性的增强。

20、本申请的渐缩型旋绕导流翼片和长楔体剪切脊主要是在射流管内壁上形成导流，有利于防止泡沫凝胶等高密度、高粘性液体的阻塞。本申请通过渐缩段的平滑曲率、渐缩型旋绕导流翼片的渐变节距、以及长楔体剪切脊的对称平缓斜坡设计，在几何层面上保证了多相流在强烈扰动剪切的同时，极大地降低了无用的局部压力损失，整体流道结构高度协同，使得从出口喷施出的凝胶泡沫流速均匀、喷洒动量集中、射程远且覆盖范围广泛；同时通过非占轴式旋绕导流规避凝胶在传统射流管内部螺杆或螺芯结构中的阻塞。

21、本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

1.一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管，其特征在于，包括圆管主体，所述圆管主体包括沿流体流动方向依次平滑连接的渐缩段、喉部和渐扩段；

2.根据权利要求1所述的一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管，其特征在于，所述渐缩型旋绕导流翼片沿所述圆管主体的轴线呈周向等角度对称分布，多个渐缩型旋绕导流翼片的螺旋方向一致。

3.根据权利要求1所述的一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管，其特征在于，所述渐缩型旋绕导流翼片的节距随管径收缩渐变缩减，所述渐缩型旋绕导流翼片的旋转偏角满足如下要求，每8cm长度内的旋转偏角小于120°。

4.根据权利要求1所述的一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管，其特征在于，所述三棱锥状结构包括一个朝向所述喉部平缓过渡的迎流斜坡面和两个朝向圆管主体侧壁过渡的流道侧坡面，两个所述流道侧坡面的交线构成顶脊线，两个所述流道侧坡面对称设置。

5.根据权利要求4所述的一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管，其特征在于，所述长楔体剪切脊的顶脊线平行于所述圆管主体的轴线。

6.根据权利要求1所述的一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管，其特征在于，所述渐缩段的内壁设置有五个渐缩型旋绕导流翼片，所述渐扩段的内壁设置有六个长楔体剪切脊。

7.根据权利要求1所述的一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管，其特征在于，所述渐缩段的入口管径d1、所述喉部的最小管径d2以及所述渐扩段的出口管径d3满足如下比例关系：d1:d2:d3=3.25:1:6.5。

8.根据权利要求7所述的一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管，其特征在于，所述长楔体剪切脊的径向最大凸起高度h满足：0.15 d2≤ h ≤0.3 d2。

9.根据权利要求1所述的一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管，其特征在于，所述渐缩段采用渐变曲率的收缩曲线进行缩径过渡。

10.根据权利要求7所述的一种用于泡沫凝胶喷施的自吸式渐缩型旋绕导流强化与剪切增强射流管，其特征在于，所述入口管径d1为26mm，所述最小管径d2为8mm，所述出口管径d3为52mm；所述圆管主体的轴向总长度为250mm，所述自吸孔的孔径为2.4mm。