同向風(fēng)速對內(nèi)混式空氣霧化噴嘴霧化特性的影響研究

陳清華，宋皓然，崔錦瓊，李先保，吳蘇里江

（1.安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 環(huán)境友好材料與職業(yè)健康研究院（蕪湖），安徽 蕪湖 241003；3.江西安源通風(fēng)設(shè)備有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

噴霧降塵是目前國內(nèi)外普遍采用的有效濕式降塵方式[1-2]，而空氣霧化噴嘴作為一種新型霧化噴嘴，相比傳統(tǒng)壓力噴嘴，具有耗水量小、霧化效果好、對水壓要求低及降塵效率高等優(yōu)勢[3-5]，因此被廣泛應(yīng)用于礦山采掘作業(yè)場所粉塵防治領(lǐng)域。為此，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量相關(guān)研究，如Han 等[6]利用Fluent 軟件和實驗，研究了供水壓力對內(nèi)混式噴嘴霧化特性和降塵效率的影響，得到了供水壓力與全塵降塵效率和呼吸性粉塵降塵效率之間的關(guān)系；蔣仲安等[7]為提高氣水噴嘴在煤礦井下高濃度粉塵作業(yè)場所的噴霧降塵效率，通過實驗研究了氣水噴嘴的霧化特性參數(shù)，得出了霧滴平均直徑與氣、水流量的變化規(guī)律；吳恩啟等[8]為提高噴嘴霧化效率，提取了不同結(jié)構(gòu)噴嘴的噴霧粒徑和霧化錐角分布，得到了噴嘴氣液夾角與霧化效果之間的關(guān)系。除了噴嘴自身結(jié)構(gòu)和水壓、氣壓外，巷道風(fēng)流場也會對噴霧降塵效果造成一定影響。相關(guān)研究表明，隨著巷道內(nèi)橫向風(fēng)速的增加，霧滴粒徑表現(xiàn)出增大趨勢[9]，霧滴與粉塵碰撞沉降的概率相應(yīng)變小，不利于降塵效率的提高[10]。因此研究風(fēng)流場對內(nèi)混式空氣霧化噴嘴霧化效果的影響規(guī)律十分必要?；诖耍ㄟ^數(shù)值模擬的方法，對不同條件下霧滴質(zhì)量濃度和液滴粒徑分布進行研究，以掌握同向風(fēng)速對噴嘴霧化特性的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值仿真模型

選用內(nèi)混式空氣霧化噴嘴，內(nèi)混式空氣霧化噴嘴主要由可調(diào)式節(jié)流桿、氣相入口、液相入口、混合室、噴霧出口5 個部分組成。內(nèi)混式空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 內(nèi)混式空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagrams of internal mixing air atomizing nozzle

工作原理：一定壓力的氣體和水分別從氣相入口和液相入口進入霧化噴嘴，并在水流和高壓氣體混合室混合，后由噴霧出口噴出，經(jīng)歷1 次破碎和2次破碎后形成許多細(xì)小水粒，與含塵氣體接觸后起到降塵效果。

簡化工作面中噴霧過程的物理模型，利用Ansys FluentDPM（discrete phase model）中提供的空氣霧化模型對噴嘴霧化性能進行研究。流場模擬計算域為0.6 m×0.6 m×3 m 的立方體，原點即為霧化噴嘴中心且位于立方體一側(cè)（yz 面），噴霧方向為x向，重力垂直向下，同向風(fēng)方向為x 向，內(nèi)混式空氣霧化噴嘴仿真模型如圖2。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，最小尺寸為10 mm，總網(wǎng)格數(shù)為111 萬。

圖2 內(nèi)混式空氣霧化噴嘴仿真模型Fig.2 Simulation model of internal mixing air atomizing nozzle

數(shù)值計算湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，同時選用SSD 破碎模型描述噴霧過程中的霧滴破碎，dynamics drag 模型來描述滴液在運動過程中所受到的曳力。設(shè)置噴嘴所在側(cè)面為速度入口邊界，空氣速度為0～3 m/s，其相對面為壓力出口。速度與壓力的耦合采用基于同位網(wǎng)格的SIMPLE 算法。

1.2 數(shù)值仿真方案

為了掌握同向風(fēng)速對噴霧霧化效果的影響，分別從同向風(fēng)對噴嘴霧化效果的影響以及不同入口壓力條件下噴嘴的抗風(fēng)能力2 個方面進行研究。選用的空氣霧化噴嘴相關(guān)參數(shù)依據(jù)仿真以及試驗綜合所得，噴嘴出口直徑為2 mm，仿真方案對應(yīng)參數(shù)見表1。

表1 仿真方案對應(yīng)參數(shù)Table 1 Simulation scheme parameters

對不同噴嘴入口壓強條件分別添加0～3 m/s 的同向風(fēng)速并進行仿真分析。然后在距離噴嘴0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m 處統(tǒng)計液滴平均粒徑。由于無法直接通過圖像來判定噴霧的整體效果，因此根據(jù)其霧滴粒徑、霧滴濃度來判定噴霧效果。在評價噴嘴霧滴粒徑過程中引入累計分布90%處的直徑D90和索特爾直徑（SMD）D[3,2]。索特爾直徑D[3,2]計算[11]如下：

式中：N 為液滴總數(shù)；Di為第i 個液滴的直徑。

2 同向風(fēng)速影響下的霧化特性

2.1 同向風(fēng)速對噴霧效果的影響

當(dāng)供水壓力為0.4 MPa，供氣壓力為0.5 MPa時，空氣霧化噴嘴z=0.3 m 平面上，不同同向風(fēng)速度條件下霧滴濃度分布如圖3。從圖3 可知，噴嘴入口壓力條件不變時，當(dāng)同向風(fēng)速為0 m/s 時，噴霧距離分別為1.8 m，而當(dāng)同向風(fēng)速為3 m/s 時，噴霧距離為2.7 m。說明在其他條件相同時，同向風(fēng)速越大，噴霧的射程越遠(yuǎn)。

圖3 不同同向風(fēng)速度條件下霧滴濃度分布Fig.3 Mass concentration distribution of droplets under different wind speeds in the same direction

當(dāng)供水壓力為0.4 MPa，供氣壓力為0.5 MPa時，在噴嘴前方0.2～1.0 m 處，同向風(fēng)速作用下霧滴平均直徑如圖4。

圖4 同向風(fēng)速作用下霧滴平均直徑Fig.4 Average droplet diameter under the action of the same wind speed

從圖4 可以看出，當(dāng)噴嘴同向風(fēng)速增加時，霧滴平均粒徑會隨之減少，并且當(dāng)同向風(fēng)速越大時，粒徑減少的程度也越大。如在檢測距離為1.0 m 時，當(dāng)同向風(fēng)速為1 m/s 時，平均直徑D[3,2]為33.7 μm，與0 m/s 下的平均直徑D[3,2]相比下降了1.5 μm；而當(dāng)同向風(fēng)速為3 m/s 時，平均直徑D[3,2]為29.2 μm，與0 m/s 下的平均直徑D[3,2]相比下降了5.95 μm。對比同種風(fēng)速條件下檢測距離和粒徑關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)檢測距離越遠(yuǎn)時，同向風(fēng)對霧滴特征顆粒和平均粒徑的減少作用更加明顯。如同向風(fēng)速為0 m/s 和2 m/s情況下，在0.2 m 處時，平均直徑D[3,2]增加0.15 μm，平均直徑基本沒有發(fā)生變化；而在1.0 m 處時，平均直徑D[3,2]減少量為3.5 μm，平均直徑發(fā)生了較為明顯的減小。

2.2 入口壓力對噴霧效果的影響

入口水壓為0.4 MPa，入口氣壓為0.3 ～0.5 MPa，同向風(fēng)速為0～3 m/s 作用下，空氣霧化噴嘴前方1.0 m 處，同向風(fēng)速影響下供氣壓力對霧滴特征直徑影響如圖5。從圖5 可以看出，隨著入口氣壓逐漸增加，同向風(fēng)對霧滴特征直徑D90的影響逐漸增大。如當(dāng)入口水壓為0.4 MPa，檢測距離為1.0 m 的情況下，在入口氣壓為0.3 MPa 時，同向風(fēng)速0 m/s與3 m/s 的霧滴特征直徑差值為7.2 μm，而在入口氣壓為0.5 MPa 時，同向風(fēng)速0 m/s 與3 m/s 的霧滴特征直徑的差值為16.6 μm。

圖5 同向風(fēng)速影響下供氣壓力對霧滴特征直徑影響Fig.5 Influence of air supply pressure on characteristic diameter of droplet under the influence of the same wind speed

入口氣壓為0.4 MPa，入口水壓為0.3 ～0.5 MPa，同向風(fēng)速為0～3 m/s 作用下，空氣霧化噴嘴前方1.0 m 處，同向風(fēng)速影響下供水壓力對霧滴特征直徑影響如圖6。

圖6 同向風(fēng)速影響下供水壓力對霧滴特征直徑影響Fig.6 Influence of water supply pressure on characteristic diameter of droplet under the influence of the same wind speed

從圖6 可以得出，隨著水壓增加，同向風(fēng)對霧滴特征直徑D90的影響逐漸減小。如當(dāng)入口氣壓為0.4 MPa，檢測距離為1.0 m 的情況下，在入口水壓為0.3 MPa 時，同向風(fēng)速0 m/s 與3 m/s 的霧滴特征直徑D90的差值為19.0 μm，而在入口水壓為0.5 MPa 時，同向風(fēng)速0 m/s 與3 m/s 的霧滴特征直徑D90的差值為5.4 μm。并且當(dāng)風(fēng)速小于1 m/s 時，同向風(fēng)對霧滴粒徑造成的影響較為平緩。

3 結(jié) 論

1）噴霧射程前0.6 m，氣流對霧滴直徑影響較小，0.6 m 前D[3,2]最大差值為0.8 μm，在噴嘴噴霧射程0.6 m 之后，隨著風(fēng)速的增加，氣流對霧滴直徑影響越大，且隨著距離的增加該作用更加明顯，0.6 m后D[3,2]最大差值為6.0 μm。

2）當(dāng)其他條件相同時，在同向氣流的作用下，霧滴顆粒直徑隨風(fēng)速的增大而減小，有利于降塵效率的提高，噴霧射程隨風(fēng)速的增大而增大。

3）供水壓力恒定時，隨著氣壓的增加，氣流對霧滴粒徑影響逐漸增大，而供氣壓力固定時，隨著水壓的增加，氣流對霧滴粒徑影響逐漸減小。

4）在除塵現(xiàn)場使用時，將能產(chǎn)生同向氣流的設(shè)備與空氣霧化噴嘴結(jié)合使用能夠有效的增加噴霧距離和霧化除塵效果。