基于撞擊法的噴霧射流粒徑研究*

宋方智，劉長春，艾國棟，劉思奇，李存英，段嘯天，張翌祥

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安市西科城市安全與消防救援研究中心，陜西 西安 710054；3.西安市城市公共安全與消防救援重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.陜西省工業(yè)過程安全與應(yīng)急救援工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710054；5.三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引言

近年來，大流量遠(yuǎn)射程噴霧水槍開始在消防領(lǐng)域快速推廣[1]，其原理是通過霧化增加水的表面積，提高水的利用率，從而達(dá)到高效滅火的目的。霧滴尺寸分布是噴霧水槍最重要的技術(shù)指標(biāo)。影響霧滴尺寸的因素包括壓力[2-3]，流速[4-5]，出口孔徑[6-7]等。測量霧滴粒徑是評價(jià)和優(yōu)化噴霧水槍必要因素。

隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究者借助激光多普勒粒子測量系統(tǒng)(LDV/PDPA)[8-9]、馬爾文噴霧粒徑分析儀(LDT)[10-11]、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(LIF)[12]和粒子圖像測速儀(PIV)[13]等光學(xué)儀器對液滴分布信息進(jìn)行了測量，這些儀器能夠測量粒徑大小和液滴速度平均值，但存在液滴重疊和測試邊界問題，影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對于測試現(xiàn)場環(huán)境的要求較高，不適用于現(xiàn)場測量。而色斑法、面粉顆粒法這些非光學(xué)法的實(shí)驗(yàn)方法局限性在于只能測試噴灑水滴粒徑，不適合沖擊力較強(qiáng)的噴霧射流。

德國標(biāo)準(zhǔn)《Wet separators-Mist eliminators》(VDI 3679 Sheet 3—2010)[14]中規(guī)定的撞擊法不僅可以測量沖擊力較強(qiáng)的噴霧射流霧滴粒徑，而且取樣點(diǎn)布置靈活方便，不受實(shí)驗(yàn)場地限制，測量費(fèi)用低，簡單易操作。李森等[15]、陶明等[16]使用撞擊法對濕法脫硫工業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置中的霧滴粒徑及其霧滴分布規(guī)律進(jìn)行了研究。

雖然撞擊法目前主要應(yīng)用于電力行業(yè)，但由于噴霧水槍射流沖擊力強(qiáng)、覆蓋范圍大等特點(diǎn)，非常適合采用撞擊法進(jìn)行測量。本文對撞擊法測試原理、方法、數(shù)據(jù)處理等進(jìn)行論述，在此基礎(chǔ)上對測量霧滴粒徑方法進(jìn)行改進(jìn)，利用該方法對噴霧水槍射流中霧滴的分布規(guī)律進(jìn)行測試，獲得噴霧射流中所攜帶霧滴的粒徑及其分布規(guī)律，研究結(jié)果可為噴霧水槍的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 撞擊法原理及方法

1.1 撞擊法原理

本文所使用的撞擊法是1種直觀的物理測試方法，適用于實(shí)驗(yàn)室和工程現(xiàn)場操作，其主要原理是在撞擊板上覆蓋1層氧化鎂層，載玻片固定在套筒中，迎面暴露在垂直水流方向，并停留一段時(shí)間，如圖1所示。當(dāng)水流以一定的速度垂直撞向固定在取樣器套筒的載玻片時(shí)，噴霧射流中攜帶的霧滴會隨著射流撞擊到載玻片上并留下永久性的印記小坑。將帶有小坑的載玻片在電子顯微鏡下觀察并統(tǒng)計(jì)彈坑的直徑和數(shù)量得出霧滴的直徑和分布規(guī)律，再經(jīng)過數(shù)據(jù)的折算及修正等處理計(jì)算，獲得需要的粒徑信息。

圖1 撞擊實(shí)驗(yàn)原理Fig.1 Experimental principle of impact method

1.2 撞擊測量方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

撞擊法霧滴實(shí)驗(yàn)裝置包括套筒、撞擊板、載玻片和顯微鏡測量系統(tǒng)，如圖2(a)所示。本文設(shè)計(jì)并改進(jìn)1種套筒取樣裝置和水霧沖擊擋板。套筒取樣裝置攜帶便捷，利用套筒機(jī)制可以控制載玻片的暴露時(shí)間，可以簡單地拆裝載玻片。

圖2 實(shí)驗(yàn)儀器Fig.2 Experimental apparatus schematic

由于噴霧射流沖擊力強(qiáng)、覆蓋范圍大，難以收集噴霧射流中粒徑數(shù)據(jù)，因此需要設(shè)置水柵。水柵的結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，在水霧沖擊擋板上留縫隙供噴霧射流通過，根據(jù)射流強(qiáng)度不同，調(diào)整縫隙的尺寸，推薦范圍為3～10 mm，在水柵后進(jìn)行測量。采用具有能夠?qū)悠范嗉壏糯蟛⒃跓晒馄辽铣上竦碾娮语@微鏡，可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測量霧滴粒徑，并進(jìn)行拍照、存儲。

1.2.2 氧化鎂載玻片制備過程

在氧化鎂載玻片制備過程中，需要準(zhǔn)備的材料包括鎂條、酒精燈、載玻片、坩堝鉗、鐵支架。氧化鎂載玻片制備方法：將載玻片放置于鐵支架上，剪取1段鎂條，使用坩堝鉗夾取鎂條用酒精燈火焰灼燒，鎂條開始燃燒并有白煙生成，等白煙變濃后將燃燒的鎂條置于載玻片下熏烤載玻片并不時(shí)地移動，使白色粉末氧化鎂均勻地附著在載玻片上，直到載玻片不透光為止，如圖3所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，0.1 m的鎂條可以制備10片均勻附著氧化鎂的載玻片。

圖3 氧化鎂制備架和氧化鎂載玻片F(xiàn)ig.3 Magnesium oxide preparation rack and slides

1.2.3 測試過程及注意事項(xiàng)

1)制備載玻片。本文采用的取樣為長76.2 mm×寬25.4 mm載玻片，為確保霧滴撞擊時(shí)小坑的出現(xiàn)，用鎂條熏制載玻片時(shí)需要盡可能大面積覆蓋而且覆蓋均勻。

2)將制備好的載玻片裝入套筒。

3)根據(jù)噴霧射流強(qiáng)度，將水柵寬度調(diào)整到合適的距離。

4)準(zhǔn)備結(jié)束后，將套筒垂直于水流方向并置于水柵中，通過快速抽動套筒，將載玻片暴露在迎面水流中，載玻片在水流中暴露的時(shí)間需根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和工況進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)格控制取樣時(shí)間。如果取樣時(shí)間過短，膜片上霧滴小坑太少，計(jì)算誤差較大；取樣時(shí)間過長，可能會造成膜片上氧化鎂附著層脫落和霧滴小坑重疊，計(jì)算誤差也會變大。當(dāng)測試壓力較大時(shí)，霧化效果較好，水滴平均粒徑將會減小，所以應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加暴露時(shí)間。因此，在正式實(shí)驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行預(yù)測試，以確定該工況的取樣時(shí)間。

5)為了消除附著在套筒上的霧滴的影響，將套筒拿出后，應(yīng)盡快拆除套筒上的載玻片并做好保存。

6)通過目測，如果出現(xiàn)大面積氧化鎂脫落或者大霧滴存留在載玻片上，應(yīng)重新采集樣品，并減少取樣時(shí)間。如果出現(xiàn)氧化鎂載玻片上并沒有明顯痕跡(小坑)則需要增加取樣時(shí)間。

7)重復(fù)上述步驟2)～6)，完成測試工況中所有的取樣。

1.3 數(shù)據(jù)處理和修正

將所得到的載玻片放置在顯微鏡下，測量并統(tǒng)計(jì)載玻片上的小坑直徑和數(shù)量，并用霧滴直徑y(tǒng)k與小坑直徑xk的比值dk對載玻片上的原始小坑數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。dk的計(jì)算方法在文獻(xiàn)[17]中有詳細(xì)說明，當(dāng)霧滴的直徑>20 μm時(shí)，dk=0.86；當(dāng)霧滴的直徑為15～20 μm時(shí)，dk=0.8；當(dāng)霧滴的直徑為10～15 μm時(shí)，dk=0.75。霧滴直徑計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：yk為霧滴直徑，μm；xk為小坑直徑，μm；dk為霧滴直徑與小坑直徑的比值。

霧滴平均直徑的表示方法很多，常用的有長度平均直徑、表面積平均直徑、體積平均直徑(也稱為質(zhì)量平均直徑)、索特平均直徑等。霧滴平均直徑的通用公式如式(2)所示：

(2)

式中：D為霧滴直徑，μm；dN為霧滴數(shù)量；a和b代表粒徑冪次的角標(biāo)；k為不同種類粒徑。

通常以Dv0.50，Dv0.99，D32等參數(shù)描述水霧特性。Dv0.50和Dv0.99都是以噴霧液滴的體積來表示液滴大小的方法。Dv0.50表示噴霧液滴總體積中，50%是由直徑大于中位數(shù)值的液滴，另外50%是由直徑小于該數(shù)值的液滴組成的；Dv0.99表示噴霧液滴總體積中，1%是由直徑大于該數(shù)值的液滴，另外99%是由直徑小于該數(shù)值的液滴組成的；D32表示索特平均直徑，表明該霧滴的體積與表面積之比和所有霧滴的總體積與表面積之比相等。

2 撞擊法應(yīng)用實(shí)例

2.1 實(shí)驗(yàn)介紹

如圖4所示，在水霧沖擊擋板上使用撞擊法對距水柵不同距離水槍攜帶的水霧霧滴尺寸和分布規(guī)律進(jìn)行測試和分析。

圖4 現(xiàn)場操作和噴霧水槍噴孔Fig.4 Field operation and spray holes of spray water gun

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)在不同噴嘴截面積下按照不同壓力分為6個(gè)工況，采用撞擊法對每1個(gè)工況下的霧滴尺寸進(jìn)行測試。計(jì)算的載玻片面積為1 930 mm2，通過顯微鏡對該區(qū)域放大40倍后，通過顯微鏡自帶圖像處理軟件進(jìn)行尺寸標(biāo)定，結(jié)果如圖5～6和表1～2所示。

圖5 顯微鏡圖和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)載玻片F(xiàn)ig.5 Micrographs and field experiment slides

圖6 單孔粒徑分布和十二孔粒徑分布Fig.6 Particle size distribution of single spray hole and twelve spray holes

表1 射流距離10 m、噴霧水槍噴孔為單孔3 mm條件下的平均粒徑Table 1 Average particle size under conditions of 10 m jet distance and 3 mm single spray hole of spray water gun

表2 射流距離10 m、噴霧水槍噴孔為十二孔1 mm條件下的平均粒徑Table 2 Average particle size under conditions of 10 m jet distance and 1 mm twelve spray holes of spray water gun

平均直徑預(yù)測模型[18]如式(3)所示：

(3)

依據(jù)式(3)構(gòu)建平均直徑預(yù)測模型計(jì)算霧滴粒徑Dv0.50，給出不同壓力和孔徑下預(yù)測結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如圖7所示，由圖7可知。噴孔為單孔3 mm時(shí)粒徑的變化趨勢和預(yù)測值相吻合，噴孔為多孔1 mm粒徑的變化趨勢和預(yù)測值相差較大。這是由于多孔結(jié)構(gòu)相較單孔，在霧滴射流過程存在相互影響、撞擊、摩擦等影響，造成預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值相差較大。因此式(3)平均直徑預(yù)測模型僅適用于單孔粒徑預(yù)測，不適合目前應(yīng)用較多的多孔結(jié)構(gòu)高壓噴霧水槍。

圖7 不同壓力和孔徑下Dv0.50的計(jì)算值Fig.7 Calculated values of Dv0.50 under different pressures and hole diameters

2.3 馬爾文粒度儀對照實(shí)驗(yàn)

如圖8所示，在水霧沖擊擋板上使用撞擊法和馬爾文粒度儀兩種粒徑測試方法對噴嘴攜帶的水霧液滴尺寸和分布規(guī)律進(jìn)行測試和分析。

圖8 馬爾文粒度儀對照實(shí)驗(yàn)儀器Fig.8 Controlled experimental instrument of Malvern particle size analyzer

利用馬爾文粒度儀對水霧液滴尺寸和分布規(guī)律進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)，如圖9和表3所示，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與撞擊法實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有的良好吻合性，從一定程度上驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性。

圖9 撞擊法和馬爾文粒徑分析儀測試結(jié)果粒徑分布Fig.9 Particle size distribution of test results by impingement method and Malvern particle size analyzer

3 結(jié)論

1)提出1種應(yīng)用于消防領(lǐng)域的水霧粒徑測量方法對撞擊法進(jìn)行改進(jìn)，為優(yōu)化噴霧射流系統(tǒng)性能提供1種科學(xué)有效的實(shí)驗(yàn)方法。

2)撞擊法可以測量沖擊力較強(qiáng)的噴霧射流霧滴粒徑，而且取樣點(diǎn)布置靈活方便，不受實(shí)驗(yàn)場地限制，簡單易操作。

3)撞擊法測得的噴霧射流霧滴粒徑值與平均直徑預(yù)測模型的預(yù)測值和馬爾文粒度儀測得的粒徑值相近。

表3 射流距離2 m、噴嘴型號為7010孔徑0.7 mm條件下的平均粒徑Table 3 Average particle size under conditions of 2 m jet distance and 0.7 mm hole diameter of 7010 type nozzle

4)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明平均直徑預(yù)測模型僅適用于單孔粒徑預(yù)測，不適合目前應(yīng)用較多的多孔結(jié)構(gòu)高壓噴霧水槍。