一种多气路混合射流控制方法

1.本发明属于射流控制领域，具体涉及一种多气路混合射流控制方法。


背景技术：

2.化学武器是通过爆炸的方式释放有毒化学品或称化学战剂，造成一定的浓度或密度从而发挥其战斗作用杀伤人类，因此，化学战剂、化学弹药及其施放器材合称为化学武器，使用的毒剂有氯气、光气、双光气、氯化苦、二苯氯胂、氢氰酸、芥子气等多达40余种，在爆炸过程中产生的其他化学物质以及战场中特殊的空气环境会与毒剂发生反应，影响对毒剂的测量和防化工作。
3.多气路混合射流控制方法要解决以下几个问题，待混合的几种气体的流量需要实时准确以实现混合气成分的控制，混合后的气体需要形成射流以及完成布撒，混气系统的自动化控制，计算布撒气体总量等然而，并没有现有设备可以解决以上问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种多气路混合射流控制方法，结合相关混气成分算法通过对气路结构、混气模块以及布撒装置等的设计，使本发明能高效混合且具备气体流量调节、气路自清洁功能，用来模拟战场中的空气环境，自动化程度高。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种多气路混合射流控制方法，用于多气路混气布撒装置混合射流的控制，多气路混气布撒装置包括n路混气集气块，外部硝烟生成设备，空气瓶，n-1个其他气瓶和布撒装置；空气瓶将外部硝烟生成设备产生的气体吹入n路混气集气块，n-1个其他气瓶通过阀和气路将相应气体输送到n路混气集气块，n路混气集气块将气体混合之后通过水平、俯仰角度可自动调节的布撒装置进行布撒，方法包括如下步骤：
6.步骤(1)：建立混合气射流模型；
7.步骤(2)：依据步骤(1)建立的混合气射流模型，考虑压力损失，计算得到各气体组分压力初始值和摩尔分数；
8.步骤(3)：计算气体组分的限制最低气压p
low
，控制第i个气体组分压力pi≥p
low
，更新第i个组成气体的分压pi、p
low
，输出符合浓度要求的混合气。
9.进一步的，步骤(1)中建立混合气射流模型的具体参数和条件如下：
10.采用realizable k-e湍流模型；采用组分输运组分模型；
11.混合气的气体成分设为：氧气、二氧化碳、水蒸气、氮气和一氧化碳；
12.边界条件：空气入口设为速度入口，混合气体入口设为质量流量入口，壁面设为绝热壁面；
13.空气质量组分：氧气23.3％，氮气75.6％，二氧化碳0.55％，水蒸气0.55％；
14.混合气体组分：基于空气组分，加入一氧化碳，使其浓度达到100000ppm，即10％仿真结果如表1所示：
15.表1仿真结果
16.空气入口速度[m/s]混合气体入口速度[m/s]10m处co浓度[ppm]5560001053000
[0017]
分析仿真结果可知，10m处一氧化碳浓度与空气入口速度呈正比，与混合气体质量流量呈反比考虑到实际风扇的直径等参数不同，对于空气入口也选用质量流量计算通过对于已有计算数据的拟合，得到如下公式：
[0018][0019]
式(1)中：n
15
是15m处一氧化碳浓度，单位ppm；n
mixture
是输入的混合气体中一氧化碳的浓度，单位ppm；a
mixture
是输入的混合气体质量流量，单位kg/s；a
air
是输入的空气质量流量，单位kg/s。
[0020]
式(1)给出本装置以一氧化碳为指标的理想布撒结果。
[0021]
对于式(1)中质量流量的计算：
[0022]
a＝ρvs，
ꢀꢀꢀ
(2)
[0023]
其中ρ为气体密度，单位kg/m3；v为气流速度，单位m/s；s为管道截面积，单位m2。
[0024]
进一步的，步骤(2)考虑的压力损失包括：气体在管道中的压力损失，反应压力损失和反应压力损失。
[0025]
进一步的，步骤(2)具体包括如下步骤：
[0026]
布撒气体总量由各个气瓶上的压力数据计算得出：
[0027][0028]
qi＝vi×
(p
i1-p
i2
)/t
ꢀꢀꢀ
(4)
[0029]qimax
＝vi×
(p
i1-p
low
)/t
ꢀꢀꢀ
(5)
[0030]
其中式(3)q为总排气量，n为气瓶总数，式(4)qi为第i个气瓶的排气量，vi为第i个气瓶的体积，p
i1
为第i个气瓶的初始气压，p
i2
为第i个气瓶的结束气压，t为环境温度；限制各个气瓶的排气量qi小于最大耗气量q
imax
，如式(5)所示，其中p
low
为限制最低气压；
[0031]
气体在管道中的压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失，
[0032]
pf＝(λl/d)ρv^2/2
ꢀꢀꢀ
(6)
[0033]
pj＝σζρv^2/2
ꢀꢀꢀ
(7)
[0034]
pw＝pf pj＝(λl/d)ρv^2/2 ∑ζρv^2/2＝[(λl/d) ∑ζ]ρv^2/2
ꢀꢀꢀ
(8)
[0035]
其中，pf为沿程压力损失，λ为管道的沿程阻力系数，l为管道长度，d为管道内径，ρ为流体密度，v为管道流速，pj为局部压力损失，ζ为管道的局部阻力系数，pw为总管道压力损失；
[0036]
在气体混合过程中，计反应压力损失为pr；
[0037]
在混合时的各部分气体压力pi气瓶当前压力pj减去pr反应压力损失和总管道压力损失pw，如式(9)所示，
[0038]
pi＝p
j-p
r-pwꢀꢀꢀ
(9)
[0039]
pz＝σpi＝p1 p2 p3
…
piꢀꢀꢀ
(10)
[0040]vz
＝σvi＝v1 v2 v3
…
viꢀꢀꢀ
(11)
[0041]
其中pz为混合后的气体总压、vz为混合后的气体总体积，pi为第i个组成气体的分压，vi为第i个组成气体的分体积；
[0042]
根据气体的状态方程计算混合气体第i组分的摩尔分数xi。
[0043]
进一步的，根据气体的状态方程计算混合气体第i组分的摩尔分数xi具体为：
[0044]
气体的状态方程为，
[0045]
pv＝nrt
ꢀꢀꢀ
(12)
[0046]
其中，式中：p为压强，pa，v为气体体积，m3，t为温度，k，n为气体的物质的量，mol，r为摩尔气体常数；
[0047]
式(10)、(11)除以式(12)，联立可得，
[0048][0049]
由式(13)可计算得出混合气体第i组分的摩尔分数xi。
[0050]
进一步的，多气路混气布撒装置产生的混合射流根据下式计算得出：
[0051][0052]
式中：n
15
是15m处一氧化碳浓度，单位ppm；n
mixture
是输入的混合气体中一氧化碳的浓度，单位ppm；a
mixture
是输入的混合气体质量流量，单位kg/s；a
air
是输入的空气质量流量，单位kg/s。
[0053]
进一步的，所述多气路混气布撒装置还包括n-1路集/分气块，用于气路的清理。
[0054]
进一步的，空气瓶通过气动减压阀与第一换向阀进气端相连，第一换向阀出口a连接质量流量计，质量流量计连接电磁阀，电磁阀连接外部硝烟生成设备进气口，外部硝烟生成设备出气口通过电磁阀与n路集气块的一路连接，第一换向阀出口b与n-1路集/分气块的进气口相连，n-1路集/分气块的三路出气口分别与其他三路气路上的三个换向阀b端相连，其他气瓶通过气动减压阀与相应换向阀a端连接，换向阀出口与质量流量计连接，质量流量计与电磁阀连接，电磁阀与n路集气块的进气口连接参与混气。
[0055]
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
[0056]
本发明通过建立混合射流模型，设计相应混气装置实现了对多气路混气布撒的可控，能够根据需要调节各个组分的流量、通过专门设计的布撒装置能够满足模拟战场空气环境的要求；且本发明的多气路混气布撒装置具有气路自清洁功能。
附图说明
[0057]
图1为混合气持续稳定浓度布撒流程图。
[0058]
图2为多气路混气布撒装置的结构示意图。
[0059]
图3为布撒装置的结构示意图。
[0060]
图4为本发明的四路集气块。
[0061]
图5为四路集气块的混气仿真图。
[0062]
图6为布撒射流仿真图。
[0063]
附图标记说明：
[0064]
1-空气瓶，2-气动减压阀，3-换向阀，4-质量流量计，5-电磁阀，6-三路集/分气块，
7-四路集气块。
具体实施方式
[0065]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0066]
如图1-6所示，本发明一种多气路混气布撒装置的结构，包括与空气瓶1相连的气动减压阀2，气动减压阀2与换向阀3进气端相连，换向阀3出口a连接质量流量计4，质量流量计4连接电磁阀5，电磁阀由继电器控制，电磁阀5连接外部硝烟生成设备进气口，外部硝烟生成设备出气口与电磁阀连接，出气口电磁阀与四路集气块7的一路连接，与布撒云台连接，换向阀3出口b与三路集(分)气块6的进气口相连，三路集(分)气块6的三路出气口分别与其他三路特殊气体气路上的三个换向阀b端相连，三个特殊气体的气路相同，气瓶与气动减压阀连接，气动减压阀与换向阀a端连接，换向阀出口与质量流量计连接，质量流量计与电磁阀连接，电磁阀与四路集气块7的进气口连接参与混气布撒装置如图3所示四路集气块7的出气口与进气端相连，管道风机在管道的尾端并架设在云台上。
[0067]
本发明的工作原理为：所有换向阀切换到a端后气路为正常工作模式，减压阀降低气瓶出口压力，电磁阀开启气路，质量流量计调节气体流量，空气瓶中的空气将外部硝烟生成设备中的烟吹入四路混气集气块7，其他三路特殊气体经减压阀、换向阀、质量流量计、电磁阀到达四路混气集气块7，混气后通过布撒云台进行布撒；上述过程中有毒气体所经过的气路如图4所示布撒云台中管道风机将气体吹出，形成混合气的射流，云台的俯仰角与偏转角可自动调整以进行布撒。
[0068]
所述方法包括以下步骤：
[0069]
步骤一：建立所需的混合气射流模型
[0070]
工作过程中，使用图2-3所示的布撒装置进行气体扩撒，对其布撒效果进行计算：相关参数条件为相关参数如下：
[0071]
1)湍流模型：realizable k-e湍流模型，适于射流的仿真。
[0072]
2)组分模型：组分输运(species transport)。
[0073]
3)气体成分：氧气，二氧化碳，水蒸气，氮气，一氧化碳。
[0074]
4)边界条件：空气入口为速度入口，混合气体入口为质量流量入口，壁面为绝热壁面。
[0075]
5)气体组分：空气质量组分：氧气23.3％，氮气75.6％，二氧化碳0.55％，水蒸气0.55％。
[0076]
混合气体组分：基于空气组分，加入一氧化碳，使其浓度达到100000ppm，即10％。
[0077]
形成的混合气射流如图6所示。
[0078]
仿真结果如表1所示：
[0079]
表1仿真结果
[0080]
空气入口速度[m/s]混合气体入口速度[m/s]10m处co浓度[ppm]5560001053000
[0081]
分析仿真结果可知，10m处一氧化碳浓度与空气入口速度呈正比，与混合气体质量流量呈反比考虑到实际风扇的直径等参数不同，对于空气入口也选用质量流量计算通过对
于已有计算数据的拟合，得到如下公式：
[0082][0083]
式(1)中：n
15
是15m处一氧化碳浓度，单位ppm；n
mixture
是输入的混合气体中一氧化碳的浓度，单位ppm；a
mixture
是输入的混合气体质量流量，单位kg/s；a
air
是输入的空气质量流量，单位kg/s式(1)给出本装置以一氧化碳为指标的理想布撒结果。
[0084]
对于式(1)中质量流量的计算：a＝ρvs，
ꢀꢀꢀ
(2)
[0085]
其中ρ为气体密度，单位kg/m3；v为气流速度，单位m/s；s为管道截面积，单位m2。
[0086]
工作结束后，气路中残留的特殊气体具有腐蚀性，需要进行清洗，本装置具有自清洁功能：所有换向阀切换到b端，电磁阀5关闭，其余电磁阀打开，空气瓶中的空气经减压阀、换向阀b端到达三路集气块6后分三路到达其他三个换向阀的b端，打开三路特殊气体气路上的质量流量计电磁阀后空气瓶中的空气将对气路进行清洗，本装置实现了约百分之九十的气路清洗以上控制动作均由单片机集控自动完成。
[0087]
步骤二，依据建立的混合气射流模型，计算混气所需的气源相关参数：
[0088]
布撒气体总量由各个气瓶上的压力数据计算得出：
[0089][0090]
qi＝vi×
(p
i1-p
i2
)/t
ꢀꢀꢀ
(4)
[0091]qimax
＝vi×
(p
i1-p
low
)/t
ꢀꢀꢀ
(5)
[0092]
其中式(3)q为总排气量，n为气瓶总数，式(4)qi为第i个气瓶的排气量，vi为第i个气瓶的体积，p
i1
为第i个气瓶的初始气压，p
i2
为第i个气瓶的结束气压，t为环境温度并限制各个气瓶的排气量qi小于最大耗气量q
imax
，如式(5)所示，其中p
low
为限制最低气压。
[0093]
图4为本装置中设计、使用的四路集气块，具有气体混合的功能，使用多个连接的回型结构，在混气过程中既能充分混合气体又减少了气体混合过程中的压力损失，
[0094]
在气路的混合过程中考虑气体在管道中的压力损失，包括沿程压力损失和局部压力损失，
[0095]
pf＝(λl/d)ρv^2/2
ꢀꢀꢀ
(6)
[0096]
pj＝σζρv^2/2
ꢀꢀꢀ
(7)
[0097]
pw＝pf pj＝(λl/d)ρv^2/2 ∑ζρv^2/2＝[(λl/d) ∑ζ]ρv^2/2
ꢀꢀꢀ
(8)
[0098]
其中，式(6)计算沿程压力损失pf，式中λ为管道的沿程阻力系数，l为管道长度，d为管道内径，ρ为流体密度，v为管道流速式(7)计算pj局部压力损失,ζ为管道的局部阻力系数，ρ为流体密度，v为管道流速式(8)计算总管道压力损失pw，为沿程压力损失pf、局部压力损失pj之和。
[0099]
在气体混合过程中，受限于待混合气体会少量发生反应成盐，计反应压力损失为pr。
[0100]
考虑以上损失，在混合时的各部分气体压力pi气瓶当前压力pj减去pr反应压力损失和总管道压力损失pw。如式(9)所示，
[0101]
pi＝p
j-p
r-pwꢀꢀꢀ
(9)
[0102]
pz＝σpi＝p1 p2 p3
…
piꢀꢀꢀ
(10)
[0103]vz
＝σvi＝v1 v2 v3
…
viꢀꢀꢀ
(11)
[0104]
其中pz为混合后的气体总压、vz为混合后的气体总体积，pi为第i个组成气体的分压，vi为第i个组成气体的分体积。
[0105]
气体的状态方程为，
[0106]
pv＝nrt
ꢀꢀꢀ
(12)
[0107]
其中，式中：p为压强(pa)，v为气体体积(m3)，t为温度(k)，n为气体的物质的量(mol)，r为摩尔气体常数(也叫普适气体恒量)(j/(mol.k))。
[0108]
式(10)、(11)除以式(12)，联立可得，
[0109][0110]
由式(13)可计算得出混合气体第i组分的摩尔分数xi。
[0111]
本发明的气体混合仿真结果如图5所示，表明该装置的混合效果较好。
[0112]
步骤三，校验实际混合气射流组分是否满足步骤一中的混合气射流模型所需：
[0113]
对于式(13)中计算得出的混合气体第i组分的摩尔分数xi，结合式(5)得出的p
low
，使pi≥p
low
，即摩尔分数xi值满足布撒装置所需的气体组分要求时，本装置即可在充分混合气体的情况下满足混合气布撒需求算法流程如图1所示。