新型氣流聲源發(fā)聲特性及其對氣溶膠的團(tuán)聚實驗研究*

龐穎鋼張光學(xué) 呂洪坤袁定琨顧海林鄧?yán)?/p>

(1中國計量大學(xué)能源工程研究所 杭州310018)

(2國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院 杭州310014)

(3寧波工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院 寧波315016)

0 引言

聲波團(tuán)聚技術(shù)是一項極具潛力的氣溶膠快速團(tuán)聚技術(shù)。氣溶膠顆粒在高強(qiáng)聲場中受聲波作用，產(chǎn)生相對運(yùn)動，顆粒間相互碰撞、團(tuán)聚形成粒徑更大的顆粒，從而大幅減少氣溶膠顆粒數(shù)目[1]。該技術(shù)在除塵、除霧、化工、消煙和消防等領(lǐng)域都表現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景[2-5]。

已有研究人員對聲波團(tuán)聚技術(shù)進(jìn)行了較廣泛的研究。Liu等[6]使用壓縮式驅(qū)動器作為聲源，配合給予頻率的信號發(fā)生器與提高功率的功率放大器，對燃煤飛灰氣溶膠進(jìn)行團(tuán)聚處理，在聲壓級為147 dB、頻率為1.4 kHz的條件下，顆粒濃度降低了68.4%。胡秋冬[7]將超聲波震子作為聲波發(fā)生器黏附于團(tuán)聚室外側(cè)進(jìn)行團(tuán)聚實驗，15 s停留時間下，除塵效率為93.2%。陳厚濤等[8]使用警報揚(yáng)聲器作為聲波發(fā)生器，團(tuán)聚燃煤飛灰氣溶膠，在聲壓級為160 dB的聲場中，PM2.5顆粒數(shù)量濃度減少了58.9%。聲波團(tuán)聚除團(tuán)聚燃煤飛灰和除塵以外，還可用于團(tuán)聚超細(xì)液滴。超細(xì)液滴是指粒徑尺寸小于等于10 μm的液相氣溶膠。聲波團(tuán)聚超細(xì)液滴氣溶膠在機(jī)場除霧、人工降雨、工廠回收硫酸顆粒等多個工業(yè)領(lǐng)域中都具有很好的應(yīng)用潛力[9-11]。張光學(xué)等[12]使用壓縮式驅(qū)動器作為聲源，在聲壓級為148 dB、頻率為6 kHz的條件下，10 s內(nèi)超細(xì)液滴氣溶膠質(zhì)量濃度減少了99%。上述研究均表明聲波團(tuán)聚技術(shù)對消除氣溶膠具有很好的效果。目前實驗大多采用電聲聲源，配合信號發(fā)生器與功率放大器以便調(diào)節(jié)聲源的頻率與聲壓級，但此類聲源內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密，在高溫、高塵環(huán)境中無法正常工作[13-15]，無法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，其功率也不滿足工業(yè)生產(chǎn)所需。因此亟需研究出可在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中穩(wěn)定工作的大功率高強(qiáng)聲源。

相比電聲聲源，以高壓氣體驅(qū)動的氣流聲源具有功率大和使用方便的特點(diǎn)。而在氣流聲源中，Hartmann型氣流聲源具有結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件、可在惡劣條件下工作等優(yōu)點(diǎn)，因此有望應(yīng)用于今后的氣溶膠聲波團(tuán)聚中[16-17]。其發(fā)聲過程為，壓縮空氣經(jīng)噴嘴加速后形成不完全膨脹的射流，射流沖入處于壓力不穩(wěn)定區(qū)域的諧振腔內(nèi)，會在腔前形成一個分離的激波，分離的激波會產(chǎn)生大幅度的振蕩，從而導(dǎo)致周圍空氣共振發(fā)聲[18]。

目前已有少量研究顯示氣流聲源可用于聲波團(tuán)聚技術(shù)。Zhao等[19]利用頻率為50 Hz～2 kHz和140～150 dB高強(qiáng)度聲波的氣流聲源，對鋼鐵廠燒結(jié)煙氣進(jìn)行聲波團(tuán)聚實驗，發(fā)現(xiàn)在數(shù)秒內(nèi)PM2.5的減排效率便可達(dá)到37%至92%。Wu等[20]使用頻率在3～8 kHz范圍內(nèi)的氣流聲源研究超細(xì)液滴氣溶膠的聲波團(tuán)聚效果，發(fā)現(xiàn)在6 kHz的最佳頻率下，超細(xì)液滴氣溶膠的團(tuán)聚效率可達(dá)55%，但比電聲聲源得到的團(tuán)聚效率要低30%。據(jù)分析，使用氣流聲源時，做功后的乏氣會伴隨聲波一同排出，使氣溶膠顆粒往遠(yuǎn)離聲源的方向運(yùn)動，降低了顆粒物在聲場中的有效停留時間，因此一定程度上降低了團(tuán)聚效率[21]。

針對上述問題，本文創(chuàng)新性地設(shè)計了一款具有氣聲分離特性的氣流聲源，可將聲源的乏氣與聲波進(jìn)行分離，減少乏氣對團(tuán)聚效率的負(fù)面影響。首先通過實驗獲得聲源的發(fā)聲特性，探究側(cè)面開口尺寸對號角出口處氣流量與聲壓級的影響。其次使用該聲源進(jìn)行聲波團(tuán)聚實驗，研究氣溶膠濃度與驅(qū)動壓力對團(tuán)聚效果的影響。研究結(jié)果可以為氣流聲源應(yīng)用于聲波團(tuán)聚技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 工作原理

1.1 Hartmann型氣流聲源及氣聲分離原理

Hartmann型氣流聲源是以高壓氣體驅(qū)動發(fā)聲的高強(qiáng)聲源，發(fā)聲時存在3種工作模式[22]：不穩(wěn)定模式、回流模式和尖叫模式。聲源正常發(fā)聲時，在回流模式下工作，亞聲速氣流經(jīng)環(huán)形噴嘴壓縮后，被加速至超聲速，超聲速氣流射入諧振腔，于腔內(nèi)生成一系列壓縮波傳至腔底，腔內(nèi)壓力增大，碰撞腔底壁面后反射至腔口，在腔口處形成膨脹波向腔內(nèi)傳播，膨脹波同樣在腔底處反射至腔口，此時腔內(nèi)壓力降低。腔內(nèi)壓力的變化會導(dǎo)致氣體入流方向的改變，腔內(nèi)壓力增大時，射流方向轉(zhuǎn)向腔體外側(cè)，腔內(nèi)壓力降低時，射流方向重新轉(zhuǎn)向腔內(nèi)。此過程不斷循環(huán)，壓縮波與膨脹波的產(chǎn)生使周圍空氣產(chǎn)生周期性振動從而發(fā)聲。

本文設(shè)計了一款具有氣聲分離特性的氣流聲源。該聲源由Hartmann型氣流聲源與號角構(gòu)成，其中諧振腔直徑為32 mm，深度為20 mm，中心桿直徑為12 mm，噴嘴直徑為22 mm，噴嘴與諧振腔間距離為12.3 mm，諧振腔口倒角為45°，用L表示Hartmann型氣流聲源與號角之間的側(cè)面開口尺寸。圖1為該聲源的實物圖與結(jié)構(gòu)圖。氣聲分離的原理是，聲源以回流模式發(fā)聲時，受諧振腔內(nèi)壓力的影響，噴嘴出口的噴射氣流會循環(huán)地改變氣流方向，當(dāng)射流方向轉(zhuǎn)移至腔外時，射流與軸向間將具有一定偏轉(zhuǎn)角度。偏轉(zhuǎn)的射流大部分會從側(cè)面開口處直接排出，部分聲能也會從側(cè)面開口處傳遞出去。小部分氣流則會朝號角出口流出，聲源發(fā)出的其余聲能也會沿號角傳遞出去。

圖1 具有氣聲分離特性的氣流聲源實物與結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Physical diagram and structure diagram of air-jet generator with flow-sound-separation

1.2 氣溶膠聲波團(tuán)聚原理

以超細(xì)液滴作為團(tuán)聚對象，團(tuán)聚過程如圖2所示。目前，聲波團(tuán)聚的機(jī)理研究中，最為重要的是正向團(tuán)聚機(jī)理及聲波尾流效應(yīng)。此外，聲流、共輻射壓效應(yīng)和聲致湍流等團(tuán)聚機(jī)理也不可忽略[23]。

圖2 液滴氣溶膠的聲波團(tuán)聚示意圖Fig.2 Schematic representation of acoustic agglomeration of fine droplet aerosol

正向團(tuán)聚機(jī)理是指，不同粒徑的顆粒在高強(qiáng)聲波作用下產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而引起碰撞并團(tuán)聚。具體表現(xiàn)為，在聲波作用下，大顆粒受慣性影響位移距離小，而小顆粒位移距離大，于是形成相對運(yùn)動。且在團(tuán)聚過程中，大顆粒具有收集核的作用，會不斷吸收與其碰撞的小顆粒形成一個更大顆粒，減少細(xì)顆粒數(shù)量，并增大平均粒徑[24]。

聲波尾流效應(yīng)是由Oseen流動條件下顆粒運(yùn)動速度方向的前后流場不對稱引起的[25]。相鄰兩個顆粒受聲波作用產(chǎn)生位移時，前方顆粒后部會形成低壓尾流區(qū)域，吸引處于該區(qū)域的后方顆粒，使兩個顆粒相互靠近。半個聲波周期后，流體運(yùn)動速度方向轉(zhuǎn)變，兩顆粒位置互換，仍存在吸引作用。數(shù)個周期之后，兩個顆粒最終發(fā)生碰撞形成大顆粒[26]。

2 實驗設(shè)備及方法

實驗裝置如圖3所示，聲波團(tuán)聚室是由內(nèi)徑300 mm、高度600 mm的有機(jī)玻璃管制成。該團(tuán)聚室具有較高的透光率，對激光的阻擋作用很小，底部則為剛性反射面，能夠有效反射聲波，提高聲波的利用效率。采用具有氣聲分離特性的氣流聲源，放置在團(tuán)聚室上部，由空壓機(jī)(型號-L18.5-7.5)提供所需壓縮空氣。

圖3 氣溶膠聲波團(tuán)聚實驗裝置圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental set-up for acoustic agglomeration aerosol

將聲級計探頭作為傳聲器與示波器(型號-TBS1072B)連接，示波器采樣間隔為1×10-5s，將傳聲器放置在團(tuán)聚室內(nèi)，示波器將獲取一段時間內(nèi)壓力變化的數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)并將所得數(shù)據(jù)通過快速傅里葉變換得到對應(yīng)的頻譜分析。在相同位置用聲級計(型號-AWA5661)的Z計權(quán)(線性不計權(quán))方式測量聲源的聲壓級。

使用熱線風(fēng)速儀(型號-Testo405i)測量團(tuán)聚室內(nèi)風(fēng)速，由于號角出口風(fēng)速不均勻，在團(tuán)聚室內(nèi)采用多點(diǎn)測量的方法采集對應(yīng)點(diǎn)位的風(fēng)速。用各點(diǎn)位的風(fēng)速可以進(jìn)一步獲取此時號角出口處的質(zhì)量流量，其計算公式為

式(1)中：qm為質(zhì)量流量；ρ為空氣密度；qv為體積流量；An為測量點(diǎn)對應(yīng)的測量面積；vn為測量點(diǎn)對應(yīng)的風(fēng)速。

采用激光測試系統(tǒng)實時測量團(tuán)聚室內(nèi)氣溶膠顆粒的團(tuán)聚情況，由功率50 mW、波長650 nm的激光水平照射團(tuán)聚室，用激光功率計(型號-LP1)接收穿過團(tuán)聚室的激光，即可實時采集透過團(tuán)聚室的激光強(qiáng)度，數(shù)據(jù)處理后可以得到氣溶膠透光率。通過測量團(tuán)聚室內(nèi)有無氣溶膠時的激光光強(qiáng)，可以得到透光率，計算公式為

式(2)中：Tt為t時刻的氣溶膠透光率；It為t時刻透過氣溶膠顆粒的激光強(qiáng)度；I0為團(tuán)聚室內(nèi)無氣溶膠顆粒時的激光強(qiáng)度。團(tuán)聚室內(nèi)氣溶膠的初始濃度可以用初始透光率的大小表示，初始透光率越小，氣溶膠初始濃度越大。

超細(xì)液滴氣溶膠由水霧發(fā)生器產(chǎn)生，利用粒子動態(tài)分析儀(Particle dynamic analyzer,PDA)對液滴粒徑進(jìn)行了采樣分析。測量結(jié)果見圖4，該顆粒的粒徑主要分布在2～20 μm之間。

圖4 超細(xì)液滴顆粒的初始粒徑分布Fig.4 Initial particle size distribution of fine droplet aerosol

3 結(jié)果與分析

3.1 聲源的發(fā)聲特性

3.1.1 聲壓級與頻率

圖5為聲源在不同驅(qū)動壓力下的聲壓級。由圖5可見，聲壓級隨驅(qū)動壓力先增大后減小，在0.3 MPa下聲壓級達(dá)到最大值，為159.6 dB。驅(qū)動壓力在0.3 MPa以下時，聲壓級隨驅(qū)動壓力的增大而增大，增長率則逐漸降低。但聲壓級并非隨驅(qū)動壓力的增大而一直增大，Brun[27]通過實驗得到，當(dāng)壓力的增加使不穩(wěn)定閾值非常接近諧振腔時，聲壓級反而會降低。主要原因是驅(qū)動壓力的增大會使激波的單位長度發(fā)生改變，不穩(wěn)定區(qū)域的位置發(fā)生變化，諧振腔所處位置從湍流混合區(qū)變至湍流穩(wěn)定區(qū)，使聲壓級下降[28]。

圖5 聲壓級與驅(qū)動壓力的關(guān)系Fig.5 The relationship between sound pressure level and inlet pressure

圖6為該聲源的頻譜分析，發(fā)聲基頻為2.9 kHz，振幅為800 Pa左右。其倍頻分別為5.8 kHz與8.7 kHz，兩個倍頻的振幅為100 Pa左右。

圖6 氣流聲源發(fā)聲頻譜分布Fig.6 Sound spectrum distribution of air-jet generator

3.1.2 側(cè)面開口尺寸對發(fā)聲特性的影響

將聲源放置在大空間中，驅(qū)動壓力為0.3 MPa時，聲源側(cè)面開口尺寸L對聲壓級的影響如圖7所示。在L=0 mm時，受號角限制，聲源產(chǎn)生的高強(qiáng)聲波主要沿號角方向傳播，聲壓級在0°處達(dá)到最大值，為158 dB。角度為60°～150°時，聲壓級明顯降低，150°時最小，僅135 dB。當(dāng)側(cè)面增加開口時，聲源工作情況有所不同，隨著L增大，部分聲波將從側(cè)面開口傳播出去，號角出口處聲壓級略有降低，60°～150°位置的聲壓級逐漸增大。由于聲源的聲指向性會受氣流轉(zhuǎn)向的影響，發(fā)聲時側(cè)面開口處氣流的流出方向在120°～150°區(qū)域之間，因此在120°～150°區(qū)域的聲壓級增長幅度最大。這表明，聲源側(cè)面進(jìn)行排氣時，部分聲波也伴隨著乏氣排放，使號角出口處的聲波強(qiáng)度略微降低。改變側(cè)面開口尺寸并不會對聲源本身結(jié)構(gòu)造成改變，因此聲源發(fā)聲頻率基本不受側(cè)面開口尺寸的影響。

圖7 氣流聲源的聲指向性Fig.7 Sound field directivity of air-jet generator

將聲源放置于團(tuán)聚室上方，測量不同L值時團(tuán)聚室內(nèi)聲壓級的大小，結(jié)果如圖8所示。由于團(tuán)聚室能夠有效反射聲波，此測量條件下的聲壓級將進(jìn)一步增大，L=4 mm時，聲壓級可達(dá)到160.7 dB。隨著L的增大，側(cè)面隨乏氣排放的聲能增加，使團(tuán)聚室內(nèi)的聲壓級逐漸減小。

圖8 側(cè)面開口尺寸對號角出口聲壓級的影響Fig.8 The influence of opening distance on sound pressure level of horn exit

隨著側(cè)面開口尺寸L的增加，聲源的聲指向性以及號角出口處的流量都將受到影響。圖9為側(cè)面開口尺寸對號角出口處質(zhì)量流量的影響。由圖9可見，隨著L增大，號角出口處質(zhì)量流量逐漸減少，但其減小趨勢并非線性，受諧振腔內(nèi)壓力變化影響，乏氣流動具有指向性，當(dāng)側(cè)面開口位置處于乏氣流動方向時，質(zhì)量流量變化波動較大。當(dāng)L=5～7 mm時，號角出口處流量將從正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，表明此時號角出口處氣流將以回流的形式從側(cè)面開口處排出。

圖9 側(cè)面開口尺寸對號角出口乏氣流量的影響Fig.9 The influence of opening distance on the mass flow at the exit of the horn

為了使聲源在聲波團(tuán)聚工業(yè)應(yīng)用時具備良好的團(tuán)聚效果，應(yīng)避免乏氣對氣溶膠的干擾，因此號角開口處的氣流應(yīng)盡可能小。同時，回流的存在會使團(tuán)聚室內(nèi)顆粒由側(cè)面開口處排出，同樣會降低團(tuán)聚效果。從圖9可見，當(dāng)L為6.5 mm左右時，乏氣基本全部從聲源側(cè)面開口排出，而號角出口的宏觀流速幾乎為零，氣聲分離效果最佳。

3.2 聲源的團(tuán)聚效果

3.2.1 聲源驅(qū)動壓力對氣溶膠團(tuán)聚的影響

圖10為L=6.3 mm、頻率為2.9 kHz條件下聲源驅(qū)動壓力對氣溶膠團(tuán)聚的影響，結(jié)果顯示，在無聲波作用下團(tuán)聚室內(nèi)透光率在10 s內(nèi)基本沒有變化，說明氣溶膠的自然沉降是個緩慢的過程。有聲波作用下，團(tuán)聚室內(nèi)透光率在8 s時已達(dá)到98%，聲波對消除氣溶膠有顯著的作用。對聲源施加不同的驅(qū)動壓力，0.3 MPa下的團(tuán)聚效果最好，0.25 MPa下的團(tuán)聚效果次之，0.15 MPa下團(tuán)聚效果最差，這與不同驅(qū)動壓力下的聲源發(fā)聲強(qiáng)度相對應(yīng)。聲場中的顆粒物是被氣體介質(zhì)挾帶振動的，聲場強(qiáng)度的增加，增大了氣體介質(zhì)的振動速度幅值，從而使氣體介質(zhì)的振動幅度增大，被氣體挾帶的顆粒物的幅值也相對增大，碰撞概率增加，團(tuán)聚效果越好。同時，聲場強(qiáng)度增加，增大了顆粒物的運(yùn)動速度，增大了不同粒徑間顆粒的相對運(yùn)動速度，根據(jù)正向團(tuán)聚機(jī)理，顆粒間相對運(yùn)動增強(qiáng)，更易于團(tuán)聚。

圖10 不同驅(qū)動壓力下的團(tuán)聚效果Fig.10 Reunion effect under different inlet pressures

在聲波作用7 s后，0.2～0.3 MPa工況下的透光率基本相同，都達(dá)到98%左右，而0.15 MPa工況下聲波作用10 s時透光率只能達(dá)到94%。此時0.15 MPa進(jìn)氣壓力的聲壓級為145 dB，0.2 MPa進(jìn)氣壓力的聲壓級為154 dB，已能夠?qū)F(tuán)聚室內(nèi)的超細(xì)液滴顆粒基本消除干凈。聲壓級為145 dB時，細(xì)液滴隨氣體介質(zhì)振蕩的幅值較小，其一個周期內(nèi)可碰撞的細(xì)液滴數(shù)目較少，隨著團(tuán)聚的不斷進(jìn)行，顆粒間間距增大，液滴的碰撞概率進(jìn)一步減小，因此團(tuán)聚效率較差。

3.2.2 氣溶膠初始濃度對團(tuán)聚效果的影響

圖11為L=6.3 mm、驅(qū)動壓力為0.3 MPa、頻率為2.9 kHz條件下氣溶膠濃度對團(tuán)聚的影響。結(jié)果表明，初始透光度為1.5%、4.0%、27.0%、40.0%的4種工況在聲波作用7 s時，透光率已基本一致，團(tuán)聚室內(nèi)的透光率都已達(dá)到98%，說明氣溶膠初始濃度越大，早期團(tuán)聚速率越高。其主要原因為，氣溶膠初始濃度越大，單位體積內(nèi)液滴顆粒數(shù)目越多，顆粒間的間距越小，聲波團(tuán)聚時，單位時間內(nèi)顆粒間發(fā)生碰撞的概率增大，更容易團(tuán)聚形成較大粒徑顆粒。

圖11 氣溶膠初始濃度對團(tuán)聚效果的影響Fig.11 The effect of initial aerosol concentration on the effect of agglomeration

團(tuán)聚過程中單位體積內(nèi)顆粒不斷減少，顆粒間距也在增大，顆粒間的碰撞概率逐漸減小，因此透光率的增長速率也在不斷減小。同時，團(tuán)聚形成的大液滴受重力影響會滴落至團(tuán)聚室底部，缺少大團(tuán)聚體作為團(tuán)聚核會進(jìn)一步減少顆粒間碰撞概率。因此后期團(tuán)聚速度減緩，最終不同初始濃度的液滴能達(dá)到近似的團(tuán)聚效果。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款新型的具有氣聲分離特性的氣流聲源，研究了關(guān)鍵參數(shù)對氣聲分離效果的影響，并對該聲源的氣溶膠團(tuán)聚效果進(jìn)行實驗。主要結(jié)論如下：

(1)聲源的聲壓級主要受驅(qū)動壓力的影響，驅(qū)動壓力在0.3 MPa以下時，驅(qū)動壓力越大聲壓級越大，該聲源最大聲壓級為159.6 dB。隨著側(cè)面開口尺寸的增大，號角出口處氣流量與聲壓級將不斷減小。當(dāng)側(cè)面開口尺寸為6.5 mm左右時，號角出口處氣流宏觀速度接近于零，氣聲分離效果較好。

(2)該聲源能夠達(dá)到較好的氣溶膠團(tuán)聚效果，10 s內(nèi)能將團(tuán)聚室內(nèi)液滴基本清除。聲壓級越高，團(tuán)聚效果越好，0.3 MPa下具有最佳團(tuán)聚效果。初始?xì)馊苣z濃度越高，團(tuán)聚前期效果越好，后期則團(tuán)聚效果趨近。