探索发射高压气动捕捉网发射装置结构分析与优化

摘要：本文以高压气动捕捉网发射装置的发射架、弹丸拉头的空气动力学特性和流动规律为主要研究对象，基于流体力学、空气动力学和计算流体力学CFD，对发射架、弹丸拉头设计与流场数值模拟相关问题进行了研究。
关键词：发射架；流体力学
【中图分类号】G712
近些年来由于高压气动捕捉网发射装置这种非致命武器在军事、维护治安和野外勘察等多种领域得到了广泛地应用，这种非致命性武器的相关研究在全世界范围内也受到了越来越多地重视。高压气动捕捉网发射装置的发射架、弹丸拉头的空气动力学特性和流动规律为主要研究对象，基于流体力学、空气动力学和计算流体力学CFD，对发射架、弹丸拉头设计与流场数值模拟相关问题进行了研究，具有一定的经济价值。
高压气动捕捉网发射装置在国外自问世以来，便迅猛占领欧美市场，且目前美、英、法等发达国家和地区在防暴身上基本配备了该装置。为完善我国的司法实践，缩小我国和先进国家装备的差距，在我国有必要推广使用和研究此装置。
本文先对高压气动捕捉网发射装置进行了详细的介绍，然后建立了发射架的三维流场模型，基于Fluent计算流体力学软件，采用标准湍流模型对发射架进行了三维流场进行了数值模拟，对模拟结果进行了分析及规律总结。先对高压气动捕捉网发射装置进行建模及模型简化，利用FLUENT仿真软件中的流场分析模块对发射架及弹丸拉头进行流体特性研究。在气源及气压不变的情况下，通过仿真改善系统结构，以期模拟得到最高的发射初速度。依据仿真结果，对捕捉网发射装置进行实际优化与改造，这样既可以为高压气动捕捉网的优化设计提供了有价值的参考依据，也可以显着地减少设计成本。对整个流场的流动状态和压力、速度矢量等各种气动参数进行了详细分析，综合考虑，发射架的支撑板上孔的直径为3mm，数量为4个且导流筒的角度为14°时为最优结构，其综合气动性能优异，具有较大的推广价值。
高压气动捕捉网发射装置为便携式捕捉网发射器，其特点是体积小、重量轻、携带方便，以便根据实际需要可捕捉目标，并且此装置是非致命武器，广泛运用于的执法工作，也运用于铁路、矿山、资源保护区、工厂、银行、商场及公共娱乐等场所和治安保卫工作，在需要制止或捕捉犯罪嫌疑人时，当目标一进入发射的有效距离时，就可对准目标按下开关按钮，射出捕捉网，即能将目标罩住。
高压气动捕捉网发射装置以压缩气体为动力，利用气体压力释放产生的动力，将气体压缩到钢瓶中，利用空气管里的针尖扎破钢瓶，使高压气体释放在整个空气管和回帽里。然后将引发机构上的开关按钮处于开的位置，摁下按钮，打开保险锁，让高压气体穿过引发机构到发射架中，推动8个橡胶拉头带动捕捉网呈一定角度向前运动。网在运动过程中迅速张开，遇到前方目标时，捕捉网的橡胶拉头由于惯性作用，自动盘罩目标，从而达到抓捕目标的效果。
建立高压气动捕捉网装置中的三种外形弹丸拉头的三维实体模型、二维流场模型的构建，基于计算流体力学软件Fluent，采用RNG湍流模型对弹丸拉头进行了二维定常流场数值模拟分析，得到了整个流场、弹丸拉头附近的流动状态和压力、速度矢量等分布及阻力系数等重要气动参数和重要气动规律。数值仿真研究具有可行性，流线型弹丸拉头综合平衡了阻力、压强、速度等诸多因素，具有优良的综合性能。
在完成了高压气动捕捉网发射装置发射架和弹丸拉头结构优化的基础上，改善高压气动捕捉网装置的密封性能。将高压气动捕捉网装置空气管中的U形圈改为V形圈。这些研究结果对此装置的改进具有重要的指导价值。
以高压气动捕捉网的发射架、弹丸拉头的空气动力学特性和流动规律为主要研究对象，对发射架和弹丸拉头的设计与流场数值模拟相关问题进行了研究。其综合气动性能优异，具有较大的推广价值。建立了高压气动捕捉网装置中的三种外形弹丸拉头的三维实体模型、二维流场模型的构建，并进行了精细的网格划分，基于计算流体力学CFD软件Fluent，采用RNG湍流模型对弹丸拉头进行了中国免费论文网www.618jyw.com
二维定常流场数值模拟与分析，对整个流场、弹丸拉头附近的流动状态和压力、速度矢量等各种气动参数进行了详细分析，得出了阻力系数等重要气动参数和重要气动规律。数值仿真研究具有可行性，流线型弹丸拉头综合平衡了阻力、压强、速度等诸多因素，具有优良的综合性能。
研究结果既揭示了弹丸拉头的一般气动规律，为研究高压气动捕捉网装置空气动力学提供了一种较为直观和有效的方式；又证实了数值模拟的可信度，为高压气动捕捉网装置的设计、改进及研发工作提供了技术参数和新的研究思路。
介绍密封技术，并对O形和V形三种密封圈特点进行简单说明，为高压气动捕捉网装置密封性能的改善提供基础理论知识。然后对高压气动捕捉网装置空气管密封性能进改进，将O形圈改为V形圈。
高压气动捕捉网发射装置，对于高压气动捕捉网发射装置结构的发射过程是一项众多因素相互作用相互制约的过程，因为各种参数都会影响二氧化碳气体速度的大小，而流场中流体的层流和紊流随速度不同而变化。本文在高压气动捕捉网发射装置的仿真实验和真实实验分析方面做了一些相关的工作，但由于自身条件及实验条件的限制，本文在如下方面还存在不足或需要进行进一步深入的研究、拓展和完善：1.限于实验条件的限制，本文未进行改进后装置的实际发射实验，仅采用Fluent进行数值模拟的验证。这影响了本文的完备性及数值模拟的可信度。后续研究应与改进后装置的实际发射试验相结合。
使用Fluent对发射架进行仿真时，为了更方便得到仿真结果，未考虑当地气温对整个发射过程的影响，后续研究应考虑不同地方的气温对发射过程的的影响，这样能更接近真实情况。
参考文献：
侯友夫，孙继敏.V形密封轴向压力分布的理论和实验研究[J].煤炭工程师.1994，15（2）12-13
章习柱.O形圈在低压气动装置中的使用[J].液压与气动，2004（12）：68-69