空气炮的力学原理

空气炮的力学原理

空气炮使用压气传递能量，突然喷出的强烈压气流以超过1马赫的速度经喷口直冲入料仓的松散物料中。这种突然释放的膨胀冲击波克服了物料的静磨擦，破坏了形成的料拱，使物料又重新恢复重力流动。

设空气炮内气体压力P₀，密度G₀，流速V₀（V₀=0）；喷气孔断面为A；外部空气压力为P，密度G（考虑压缩性影响）；气流喷出速度V；空气定容比热与定压比热之比n=1.4，流量m，则能量方程^（2）为

   E=           (1)

推得

   v=                (2)

m=GAv=A      (3)

若把连续气体作为质点群的极限来考虑，则质点系的动量定理（即质点系的动量的时间变化率等于质点系外部的作用力之和）依然适用。

若空气射流遇到物体后改变方向为180°-θ，如图3（a）,由断面1单位时间内流入动量的x方向分量mv₁,由断面2流出动量的x方向分量-mv₂cosθ=-mv₁cosθ,所以，单位时间内力的分量为

     （4）                 （5）

如图3（b）取坐标系，射流冲击物体后转90°，由断面1在x方向流入的动量用图中的符号表示为mv，由断面2在x方向没有动量流出。由动量定理得冲击物体的力（单位时间内）为

                          (6)

由于由动量定理求得的力在流动中看作应力总和，气体射流碰到物体部分的流速近于零。图3（b）中心部分产生的压力较大。

对松软物料而言，其波阻抗较低，破坏主要由气体冲击力所致，同时，气体的气楔作用增大了应力波形成的径向裂纹前端的拉应力。作用在物料上的冲击波很快衰减成应力波，若已知作用在物料体上的冲击压力P₁,则可求得应力波影响范围^（1）为

R=(bP₁/S_T)^1/ar                      (7)

式中：b=μ/（1-μ），μ为泊松比；a=2-b,为应力衰减指数；S_T为物料的抗拉强度；r为气流作用半径（取射孔半径）：P₁=P₀+P₂；P₂为气流冲击压力强增值，P₂=G₃C_v；C为物料中声速；v为气流喷射速。

令P₀=0.7Mpa，G₀=0.00125g/cm³,射流孔直径8cm,C=1500m/s P=0.1Mpa, μ=0.35,S_T=0.015Mpa。则由式（2），（3）分别得v=1.29×10³m/s,m=8.1kg/m。

如图3（b），θ=90��时，由式（6），F_x=13.3kN；如图3（a），θ=30°时，由式（4）、（5）得F=26.5kN,w=15°；由式（7）得R=3.13m。由上可见，当气体流遇物体，以与入射方向成150°（即θ=30°）飞散时，物体受冲击力大于90°时的冲击力。

物料形成的拱在不均匀动载下承载力很弱，极易发生脆性破坏^（3）

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