本发明涉及公共安全技术领域，更具体地说是一种超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法及装置。
背景技术：
实现有效介质的远程喷射在安全、卫生、农业、环保等领域均具有增强效果、扩大作用区域、降低使用成本、提高现场操作人员和仪器设备安全性等重要意义。现有远程喷射技术的开发思路大都集中在提升入口端动力，例如专利cn202010245877.2和专利cn201020139897.3利用风机产生的高速风流提升雾状介质的喷射距离，其射程极限都受到动力装置功率的限制。目前，鲜有从降低射流路径阻力的角度开发的远程喷射技术。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法及装置，利用拉瓦尔管结构提升中心助推气体速度形成超音速气流，利用外围旋流降低有效介质喷射路径上的阻力，在同等动力条件下能够大幅提升有效介质的射程。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法，是在有效介质的喷射通道内，以有效介质通入位置为界，之后为混合段，之前为旋流段，所述有效介质自有效介质通入位置处顺着喷射方向通入混合段内；
于所述旋流段内顺着喷射方向利用拉瓦尔管形成沿着中轴线呈直线前进的超音速射流，利用旋流通道形成独立并环绕于所述超音速射流外周呈回旋前进的外围旋流；
所述超音速射流与外围旋流进入混合段耦合形成复合流，于有效介质通入位置处起搭载通入的有效介质，依靠所述外围旋流的离心作用形成中心低压低阻区，以降低有效介质喷射路径上的空气阻力，依靠所述超音速射流形成对有效介质的助推，以提升有效介质的喷射速度，实现有效介质的远程喷射。
本发明方法的特点还在于：
拉瓦尔管、旋流通道与所述喷射通道同轴，旋流段内的拉瓦尔管沿着喷射通道的中轴线居中设置，拉瓦尔管外壁与喷射通道内壁之间形成的环形区域作为旋流通道。
所述外围旋流是顺着喷射方向向旋流通道内通入动力介质，利用顺着喷射方向呈螺旋布置在旋流通道内的螺旋叶片的导流作用形成。
或，所述外围旋流是沿着与喷射通道内壁呈相切的切向方向向旋流通道内通入动力介质，在旋流通道的环形内壁约束下依靠惯性形成。
通入所述混合段内的有效介质呈单点喷射或多点喷射。
所适用的有效介质类型包括干粉、雾滴、泡沫、杀毒消菌剂。
所述超音速射流以可压缩流体为动力介质；所述外围旋流以高速流体为动力介质。
本发明同时提出了一种实现上述超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法的装置，其结构特点是：
装置内形成的贯通的圆柱形腔室作为喷射通道，以有效介质的通入位置为界，顺着喷射方向之后为喷射通道的混合段，之前为喷射通道的旋流段；
设置沿径向直插入喷射通道内的有效介质输送通道用于通入有效介质，露出于装置外的端口作为有效介质通入口，插入喷射通道内的通道末段顺着喷射方向，居中并同轴地设于喷射通道内；
在所述旋流段内沿全段布置与所述喷射通道呈同轴的拉瓦尔管与旋流通道，所述拉瓦尔管居中设于旋流段内，管内区域顺着喷射方向依次为收缩管段、喉管段及扩张管段，自所述收缩管段端口按照相等的内径向喷射通道外沿轴向延伸形成拉瓦尔管的入口段，所述扩张管段端口正对所述有效介质输送通道；
所述旋流段内，拉瓦尔管外壁与喷射通道内壁之间形成环形区域，所述环形区域内于旋流段全段沿喷射方向设呈螺旋布置的螺旋叶片，并于前端与装置上的切向旋流入口相通，构成所述旋流通道，所述旋流通道朝向喷射通道外的一端封闭，外围旋流的动力介质是经切向旋流入口沿着与喷射通道内壁呈相切的切向方向通入旋流通道的环形区域内，在环形内壁的约束以及在螺旋叶片的导流作用下依靠惯性形成所述外围旋流。
本发明还提出了一种实现上述超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法的装置，其结构特点是：
装置内形成的贯通的圆柱形腔室作为喷射通道，以有效介质的通入位置为界，顺着喷射方向之后为喷射通道的混合段，之前为喷射通道的旋流段；
设置沿径向直插入喷射通道内的有效介质输送通道用于通入有效介质，露出于装置外的端口作为有效介质通入口，插入喷射通道内的通道末段顺着喷射方向，居中并同轴地设于喷射通道内；
在所述旋流段内沿全段布置与所述喷射通道呈同轴的拉瓦尔管与旋流通道，所述拉瓦尔管居中设于旋流段内，管内区域顺着喷射方向依次为收缩管段、喉管段及扩张管段，自所述收缩管段端口按照相等的内径向喷射通道外沿轴向延伸形成拉瓦尔管的入口段，所述扩张管段端口正对所述有效介质输送通道；
所述旋流段内，拉瓦尔管外壁与喷射通道内壁之间形成环形区域，在所述环形区域内于旋流段全段沿喷射方向设呈螺旋布置的螺旋叶片，构成所述旋流通道，所述旋流通道轴向贯通，朝向喷射通道外的一端作为旋流入口。
以及，本发明还提出了另一种实现上述超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法的装置，其结构特点是：
装置内形成的贯通的圆柱形腔室作为喷射通道，以有效介质的通入位置为界，顺着喷射方向之后为喷射通道的混合段，之前为喷射通道的旋流段；
设置沿径向直插入喷射通道内的有效介质输送通道用于通入有效介质，露出于装置外的端口作为有效介质通入口，插入喷射通道内的通道末段顺着喷射方向，居中并同轴地设于喷射通道内；
在所述旋流段内沿全段布置与所述喷射通道呈同轴的拉瓦尔管与旋流通道，所述拉瓦尔管居中设于旋流段内，管内区域顺着喷射方向依次为收缩管段、喉管段及扩张管段，自所述收缩管段端口按照相等的内径向喷射通道外沿轴向延伸形成拉瓦尔管的入口段，所述扩张管段端口正对所述有效介质输送通道；
所述旋流段内，拉瓦尔管外壁与喷射通道内壁之间形成环形区域，所述环形区域于前端与装置上的切向旋流入口相通，构成所述旋流通道，所述旋流通道朝向喷射通道外的一端封闭，外围旋流的动力介质是经切向旋流入口沿着与喷射通道内壁呈相切的切向方向通入旋流通道的环形区域内，在环形内壁的约束下依靠惯性形成所述外围旋流。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明首次提出利用拉瓦尔管形成超音速射流助推有效介质，提升有效介质的喷射速度，同时利用外围旋流使喷射路径上的空气密度和压强下降，以降低有效介质喷射路径上的空气阻力，且空气密度和压强的下降又进一步促使超音速射流速度的上升，从而，本发明以超音速射流与外围旋流构成的复合流实现了有效介质的远程喷射，在同等动力条件下相较于现有技术能够大幅提升有效介质的射程；
2、本发明所设计的复合流还能够促进有效介质与助推流体充分混合，此外，还可根据实际条件选用不同的有效介质、助推介质、旋流介质和动力机械，在工程实践中具有广泛的实用性。
附图说明
图1是实施例1的剖视结构示意图；
图2是实施例1的立体结构示意图；
图3是实施例2的立体结构示意图；
图4是实施例2的剖视结构示意图；
图5是实施例2的主视结构示意图；
图6是图5中切向旋流入口处b-b向剖视结构示意图；
图7是实施例3的结构示意图；
图8是实施例3的剖视结构示意图；
图9是实施例3的主视结构示意图；
图10是图9中切向旋流入口处c-c向剖视结构示意图。
图中，1入口段；2旋流段；3混合段；4有效介质输送通道；5拉瓦尔管；51收缩管段；52喉管段；53扩张管段；6环形区域；7螺旋叶片；8切向旋流入口；9旋流入口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法，是在有效介质的喷射通道内，以有效介质通入位置为界，之后为混合段3，之前为旋流段2，有效介质自有效介质通入位置处顺着喷射方向通入混合段3内；
于旋流段2内顺着喷射方向利用拉瓦尔管5形成沿着中轴线呈直线前进的超音速射流，利用旋流通道形成独立并环绕于超音速射流外周呈回旋前进的外围旋流；
超音速射流与外围旋流进入混合段3耦合形成复合流，于有效介质通入位置处起搭载通入的有效介质，依靠外围旋流的离心作用形成中心低压低阻区，以降低有效介质喷射路径上的空气阻力，依靠超音速射流形成对有效介质的助推，以提升有效介质的喷射速度，实现有效介质的远程喷射。
具体实施中：
拉瓦尔管5、旋流通道与喷射通道同轴，旋流段2内的拉瓦尔管5沿着喷射通道的中轴线居中设置，拉瓦尔管5外壁与喷射通道内壁之间形成的环形区域6作为旋流通道。
通入混合段3内的有效介质呈单点喷射或多点喷射。
所适用的有效介质类型包括干粉、雾滴、泡沫、杀毒消菌剂。
超音速射流以可压缩流体为动力介质，如亚音速气体；外围旋流以高速流体为动力介质，可以采用空气、氮气、二氧化碳或其他气体，也可根据实际需要采用水等液体。
在旋流通道内形成外围旋流的方式可以是：
外围旋流是顺着喷射方向向旋流通道内通入动力介质，利用顺着喷射方向呈螺旋布置在旋流通道内的螺旋叶片7的导流作用形成；
或，外围旋流是沿着与喷射通道内壁呈相切的切向方向向旋流通道内通入动力介质，在旋流通道的环形内壁约束下依靠惯性形成；
或采用上述两种结构形式的结合，沿着与喷射通道内壁呈相切的切向方向向旋流通道内通入动力介质，并在旋流通道内设置螺旋叶片7，结合螺旋叶片7的导流作用，共同形成稳定的外围旋流。
下文以实施例1-3分别详述。
实施例1：
请参照图1至图2，本实施例的实现上述超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法的装置结构设置如下：
装置内形成的贯通的圆柱形腔室作为喷射通道，以有效介质的通入位置为界，顺着喷射方向之后为喷射通道的混合段3，之前为喷射通道的旋流段2；
设置沿径向直插入喷射通道内的有效介质输送通道4用于通入有效介质，露出于装置外的端口作为有效介质通入口，插入喷射通道内的通道末段顺着喷射方向，居中并同轴地设于喷射通道内；
在旋流段2内沿全段布置与喷射通道呈同轴的拉瓦尔管5与旋流通道，拉瓦尔管5居中设于旋流段2内，管内区域顺着喷射方向依次为收缩管段51、喉管段52及扩张管段53，自收缩管段51端口按照相等的内径向喷射通道外沿轴向延伸形成拉瓦尔管5的入口段1，扩张管段53端口正对有效介质输送通道4；
旋流段2内，拉瓦尔管5外壁与喷射通道内壁之间形成环形区域6，在环形区域6内于旋流段2全段沿喷射方向设呈螺旋布置的螺旋叶片7，构成旋流通道，旋流通道轴向贯通，朝向喷射通道外的一端作为旋流入口9。
拉瓦尔管收缩管段端口处可采用管段可拆卸相接的方式构成入口段1，图1中为入口段接好至露出于喷射通道外的情形，图2中为入口段未完全接好未露出于喷射通道外时的情形。
工作原理：
经入口段1端口向拉瓦尔管5内通入亚音速气体，亚音速气体通过拉瓦尔管5的收缩管段51到达喉管段52处时，其体积被压缩、密度增大，而后经喉管段52进入扩张管段53后密度迅速下降，使其喷射速度达到超音速，形成超音速气流，作为有效介质的助推流体；
经旋流入口9向旋流通道内通入用于形成外围旋流的动力介质，如高速液体或压缩气体，在螺旋叶片7的导流作用下形成呈回旋前进的稳定的外围旋流；
超音速气流与外围旋流在旋流段2彼此独立，进入混合段3时失去隔离约束形成复合流，使经有效介质输送通道4通入混合段3内的有效介质被加速并混合均匀，实现远程喷射。
实施例2：
请参照图3至图6，本实施例的实现上述超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法的装置结构设置如下：
装置内形成的贯通的圆柱形腔室作为喷射通道，以有效介质的通入位置为界，顺着喷射方向之后为喷射通道的混合段3，之前为喷射通道的旋流段2；
设置沿径向直插入喷射通道内的有效介质输送通道4用于通入有效介质，露出于装置外的端口作为有效介质通入口，插入喷射通道内的通道末段顺着喷射方向，居中并同轴地设于喷射通道内；
在旋流段2内沿全段布置与喷射通道呈同轴的拉瓦尔管5与旋流通道，拉瓦尔管5居中设于旋流段2内，管内区域顺着喷射方向依次为收缩管段51、喉管段52及扩张管段53，自收缩管段51端口按照相等的内径向喷射通道外沿轴向延伸形成拉瓦尔管5的入口段1，扩张管段53端口正对有效介质输送通道4；
旋流段2内，拉瓦尔管5外壁与喷射通道内壁之间形成环形区域6，环形区域6于前端与装置上的切向旋流入口8相通，构成旋流通道，旋流通道朝向喷射通道外的一端封闭，外围旋流的动力介质是经切向旋流入口8沿着与喷射通道内壁呈相切的切向方向通入旋流通道的环形区域6内，在环形内壁的约束下依靠惯性形成外围旋流。
工作原理：
经入口段1端口向拉瓦尔管5内通入亚音速气体，亚音速气体通过拉瓦尔管5的收缩管段51到达喉管段52处时，其体积被压缩、密度增大，而后经喉管段52进入扩张管段53后密度迅速下降，使其喷射速度达到超音速，形成超音速气流，作为有效介质的助推流体；
经切向旋流入口8向旋流通道内通入用于形成外围旋流的动力介质，如高速液体或压缩气体，沿着与喷射通道内壁呈相切的切向方向通入旋流通道内，在旋流通道的环形内壁约束下依靠惯性形成外围旋流；
超音速气流与外围旋流在旋流段2彼此独立，进入混合段3时失去隔离约束形成复合流，使经有效介质输送通道4通入混合段3内的有效介质被加速并混合均匀，实现远程喷射。
实施例3：
请参照图7至图10，本实施例的实现上述超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法的装置结构设置如下：
装置内形成的贯通的圆柱形腔室作为喷射通道，以有效介质的通入位置为界，顺着喷射方向之后为喷射通道的混合段3，之前为喷射通道的旋流段2；
设置沿径向直插入喷射通道内的有效介质输送通道4用于通入有效介质，露出于装置外的端口作为有效介质通入口，插入喷射通道内的通道末段顺着喷射方向，居中并同轴地设于喷射通道内；
在旋流段2内沿全段布置与喷射通道呈同轴的拉瓦尔管5与旋流通道，拉瓦尔管5居中设于旋流段2内，管内区域顺着喷射方向依次为收缩管段51、喉管段52及扩张管段53，自收缩管段51端口按照相等的内径向喷射通道外沿轴向延伸形成拉瓦尔管5的入口段1，扩张管段53端口正对有效介质输送通道4；
旋流段2内，拉瓦尔管5外壁与喷射通道内壁之间形成环形区域6，环形区域6内于旋流段2全段沿喷射方向设呈螺旋布置的螺旋叶片7，并于前端与装置上的切向旋流入口8相通，构成旋流通道，旋流通道朝向喷射通道外的一端封闭，外围旋流的动力介质是经切向旋流入口8沿着与喷射通道内壁呈相切的切向方向通入旋流通道的环形区域6内，在环形内壁的约束以及在螺旋叶片7的导流作用下依靠惯性形成外围旋流。
工作原理：
经入口段1端口向拉瓦尔管5内通入亚音速气体，亚音速气体通过拉瓦尔管5的收缩管段51到达喉管段52处时，其体积被压缩、密度增大，而后经喉管段52进入扩张管段53后密度迅速下降，使其喷射速度达到超音速，形成超音速气流，作为有效介质的助推流体；
经切向旋流入口8向旋流通道内通入用于形成外围旋流的动力介质，如高速液体或压缩气体，沿着与喷射通道内壁呈相切的切向方向通入旋流通道内，在旋流通道的环形内壁约束下以及螺旋叶片7的导流作用下依靠惯性形成呈回旋前进的稳定的外围旋流；
超音速气流与外围旋流在旋流段2彼此独立，进入混合段3时失去隔离约束形成复合流，使经有效介质输送通道4通入混合段3内的有效介质被加速并混合均匀，实现远程喷射。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
1.一种超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法，其特征是：
在有效介质的喷射通道内，以有效介质通入位置为界，之后为混合段(3)，之前为旋流段(2)，所述有效介质自有效介质通入位置处顺着喷射方向通入混合段(3)内；
于所述旋流段(2)内顺着喷射方向利用拉瓦尔管(5)形成沿着中轴线呈直线前进的超音速射流，利用旋流通道形成独立并环绕于所述超音速射流外周呈回旋前进的外围旋流；
所述超音速射流与外围旋流进入混合段(3)耦合形成复合流，于有效介质通入位置处起搭载通入的有效介质，依靠所述外围旋流的离心作用形成中心低压低阻区，以降低有效介质喷射路径上的空气阻力，依靠所述超音速射流形成对有效介质的助推，以提升有效介质的喷射速度，实现有效介质的远程喷射。
2.根据权利要求1所述的超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法，其特征是：
拉瓦尔管(5)、旋流通道与所述喷射通道同轴，旋流段(2)内的拉瓦尔管(5)沿着喷射通道的中轴线居中设置，拉瓦尔管(5)外壁与喷射通道内壁之间形成的环形区域(6)作为旋流通道。
3.根据权利要求1或2所述的超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法，其特征是：
所述外围旋流是顺着喷射方向向旋流通道内通入动力介质，利用顺着喷射方向呈螺旋布置在旋流通道内的螺旋叶片(7)的导流作用形成。
4.根据权利要求1或2所述的超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法，其特征是：
所述外围旋流是沿着与喷射通道内壁呈相切的切向方向向旋流通道内通入动力介质，在旋流通道的环形内壁约束下依靠惯性形成。
5.根据权利要求1所述的超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法，其特征是：
通入所述混合段(3)内的有效介质呈单点喷射或多点喷射。
6.根据权利要求1所述的超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法，其特征是：所适用的有效介质类型包括干粉、雾滴、泡沫、杀毒消菌剂。
7.根据权利要求1所述的超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法，其特征是：所述超音速射流以可压缩流体为动力介质；所述外围旋流以高速流体为动力介质。
8.一种实现权利要求1所述超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法的装置，其特征是：
装置内形成的贯通的圆柱形腔室作为喷射通道，以有效介质的通入位置为界，顺着喷射方向之后为喷射通道的混合段(3)，之前为喷射通道的旋流段(2)；
设置沿径向直插入喷射通道内的有效介质输送通道(4)用于通入有效介质，露出于装置外的端口作为有效介质通入口，插入喷射通道内的通道末段顺着喷射方向，居中并同轴地设于喷射通道内；
在所述旋流段(2)内沿全段布置与所述喷射通道呈同轴的拉瓦尔管(5)与旋流通道，所述拉瓦尔管(5)居中设于旋流段(2)内，管内区域顺着喷射方向依次为收缩管段(51)、喉管段(52)及扩张管段(53)，自所述收缩管段端口按照相等的内径向喷射通道外沿轴向延伸形成拉瓦尔管(5)的入口段(1)，所述扩张管段(53)端口正对所述有效介质输送通道(4)；
所述旋流段(2)内，拉瓦尔管(5)外壁与喷射通道内壁之间形成环形区域(6)，所述环形区域(6)内于旋流段(2)全段沿喷射方向设呈螺旋布置的螺旋叶片(7)，并于前端与装置上的切向旋流入口(8)相通，构成所述旋流通道，所述旋流通道朝向喷射通道外的一端封闭，外围旋流的动力介质是经切向旋流入口(8)沿着与喷射通道内壁呈相切的切向方向通入旋流通道的环形区域(6)内，在环形内壁的约束以及在螺旋叶片(7)的导流作用下依靠惯性形成所述外围旋流。
9.一种实现权利要求1所述超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法的装置，其特征是：
装置内形成的贯通的圆柱形腔室作为喷射通道，以有效介质的通入位置为界，顺着喷射方向之后为喷射通道的混合段(3)，之前为喷射通道的旋流段(2)；
设置沿径向直插入喷射通道内的有效介质输送通道(4)用于通入有效介质，露出于装置外的端口作为有效介质通入口，插入喷射通道内的通道末段顺着喷射方向，居中并同轴地设于喷射通道内；
在所述旋流段(2)内沿全段布置与所述喷射通道呈同轴的拉瓦尔管(5)与旋流通道，所述拉瓦尔管(5)居中设于旋流段(2)内，管内区域顺着喷射方向依次为收缩管段(51)、喉管段(52)及扩张管段(53)，自所述收缩管段(51)端口按照相等的内径向喷射通道外沿轴向延伸形成拉瓦尔管(5)的入口段(1)，所述扩张管段(53)端口正对所述有效介质输送通道(4)；
所述旋流段(2)内，拉瓦尔管(5)外壁与喷射通道内壁之间形成环形区域(6)，在所述环形区域(6)内于旋流段(2)全段沿喷射方向设呈螺旋布置的螺旋叶片(7)，构成所述旋流通道，所述旋流通道轴向贯通，朝向喷射通道外的一端作为旋流入口(9)。
10.一种实现权利要求1所述超音速气流与旋流负压耦合的远程喷射方法的装置，其特征是：
装置内形成的贯通的圆柱形腔室作为喷射通道，以有效介质的通入位置为界，顺着喷射方向之后为喷射通道的混合段(3)，之前为喷射通道的旋流段(2)；
设置沿径向直插入喷射通道内的有效介质输送通道(4)用于通入有效介质，露出于装置外的端口作为有效介质通入口，插入喷射通道内的通道末段顺着喷射方向，居中并同轴地设于喷射通道内；
在所述旋流段(2)内沿全段布置与所述喷射通道呈同轴的拉瓦尔管(5)与旋流通道，所述拉瓦尔管(5)居中设于旋流段(2)内，管内区域顺着喷射方向依次为收缩管段(51)、喉管段(52)及扩张管段(53)，自所述收缩管段(51)端口按照相等的内径向喷射通道外沿轴向延伸形成拉瓦尔管(5)的入口段(1)，所述扩张管段(53)端口正对所述有效介质输送通道(4)；
所述旋流段(2)内，拉瓦尔管(5)外壁与喷射通道内壁之间形成环形区域(6)，所述环形区域(6)于前端与装置上的切向旋流入口(8)相通，构成所述旋流通道，所述旋流通道朝向喷射通道外的一端封闭，外围旋流的动力介质是经切向旋流入口(8)沿着与喷射通道内壁呈相切的切向方向通入旋流通道的环形区域(6)内，在环形内壁的约束下依靠惯性形成所述外围旋流。
技术总结