噴嘴參數(shù)對風(fēng)送式噴霧機(jī)霧滴射程的影響

龔曙光, 宋青卓, 劉黎明, 龔京忠, 賀運(yùn)初

(1.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 湘潭 411105； 2.湖南九九智能環(huán)保股份有限公司，湖南 長沙 410205)

風(fēng)送式噴霧機(jī)通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流將大量霧滴拋射到作業(yè)區(qū)域完成作業(yè)，具有效率高、成本低、移動性強(qiáng)、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)除塵、空氣治理和農(nóng)業(yè)噴灑等領(lǐng)域[1-2]，同時(shí)風(fēng)送式噴霧除塵技術(shù)也已成為露天礦山、火電廠和建筑工地等場所治理揚(yáng)塵的重要措施之一[3-5]。

諸多學(xué)者及科研人員針對風(fēng)送式噴霧機(jī)開展了相關(guān)研究，歐亞明等[6]利用農(nóng)機(jī)試驗(yàn)對風(fēng)送式噴霧機(jī)的霧滴射程進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明軸流風(fēng)機(jī)的性能對風(fēng)送式噴霧機(jī)的霧滴射程影響較大，并指出霧滴被氣流攜帶的最低風(fēng)速為2 m/s，可作為噴霧機(jī)射程的判斷指標(biāo)；陳波等[7]基于多目標(biāo)智能協(xié)同優(yōu)化方法，探究了噴霧機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對風(fēng)機(jī)射程的影響規(guī)律，并得出最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)；張小濤[3]采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究了風(fēng)量、噴霧壓力與噴嘴角對霧滴擴(kuò)散與沉降的分布規(guī)律的影響；宋淑然等[8-11]基于數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)探究了噴霧機(jī)的噴霧特性、霧滴粒徑變化規(guī)律，以及不同液體張力對噴霧機(jī)流場中霧滴的粒徑、分布密度、速度和沉積分布情況的影響；李杰等[12]利用CFD法研究了噴霧機(jī)霧滴運(yùn)動軌跡和沉降特性，所得結(jié)果與試驗(yàn)測試相吻合；劉秀娟等[13]采用Fluent軟件分析了風(fēng)機(jī)與射程范圍內(nèi)的氣流信息及其軸向速度的衰減規(guī)律；EMMA等[14]建立了霧滴大小和霧滴速度的CFD模型，并對噴霧的分布規(guī)律和噴霧效果進(jìn)行了評價(jià)；呂曉蘭等[15]探討了噴霧技術(shù)參數(shù)對霧滴沉積分布的影響；惠雙琳[16]利用Fluent軟件探討了噴霧壓力對降塵噴霧性的影響，指出噴霧壓力越大、噴霧效果越好，霧滴的抗風(fēng)能力越強(qiáng)。

已有文獻(xiàn)對噴霧機(jī)射程的研究主要側(cè)重于如何提升噴霧機(jī)的出口氣流速度或重點(diǎn)針對霧滴的運(yùn)動過程，而對霧滴的有效作用范圍及噴嘴參數(shù)等對霧滴射程的影響還需進(jìn)一步研究。因此，筆者基于霧滴運(yùn)動、蒸發(fā)、碰撞和破碎方程，采用數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)法，探討噴嘴的結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)對霧滴射程的影響，以期為風(fēng)送式噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)及工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 控制方程及仿真模型

1.1 控制方程

1)湍流模型

連續(xù)相采用 Realizablek-ε湍流模型，該模型更適用于圓形射流[17]，其動能方程如下：

(1)

擴(kuò)散方程為：

(2)

選取常數(shù)C1ε= 1.44，C2= 1.9，σk= 1.0，σε= 1.2。

2)霧滴運(yùn)動方程

霧滴的運(yùn)動軌跡可通過對拉格朗日坐標(biāo)系下霧滴作用力的微分方程進(jìn)行積分得出，霧滴作用力的平衡方程為：

(3)

式中：m為質(zhì)量；τ為霧滴的弛豫時(shí)間；Fvm為霧滴所受的虛擬質(zhì)量力；下標(biāo)f為流體參數(shù)，未注下標(biāo)的為霧滴參數(shù)。

3)霧滴碰撞方程

在霧滴的碰撞方程中，假定霧滴組之間的碰撞只存在于同一個(gè)流體網(wǎng)格內(nèi)，此時(shí)可利用O′Rourke的隨機(jī)方法來估計(jì)顆粒之間的碰撞頻率，該計(jì)算方法在空間上具有二階精度[18]。

2個(gè)霧滴組之間發(fā)生碰撞概率的數(shù)學(xué)期望為：

(4)

式中：r為霧滴組半徑；vrel為2個(gè)霧滴組之間的相對速度；v為霧滴的總速度。

霧滴組實(shí)際碰撞次數(shù)的概率滿足泊松分布，即:

(5)

如果霧滴之間為正面碰撞，則其結(jié)果傾向于霧滴合并;若為側(cè)面碰撞，則其傾向于反彈。即霧滴之間碰撞會出現(xiàn)合并和反彈，判斷其臨界值為：

(6)

其中：

式中We為霧滴的韋伯?dāng)?shù)。

4)霧滴破碎模型

霧滴的破碎模型主要有TAB模型和WAVE模型，而后者的參數(shù)與工況環(huán)境相關(guān)[19]。為避免使用破碎模型帶有的不確定性，本文采用TAB模型。

霧滴系統(tǒng)受迫有阻尼振動的控制方程為：

(7)

式中：F為霧滴的空氣動力；d為阻尼力類比霧滴黏性力。

對于無阻尼霧滴，在其相對速度為0時(shí)，則有：

(8)

式中：ω為霧滴的振動頻率；td為給定時(shí)間。

若y>1，則表示霧滴變形已增長到霧滴半徑的臨界值。霧滴破碎后，其尺寸分布的索太爾中徑為：

(9)

式中：K為變形能量與一階模態(tài)能量之比；σ為霧滴表面張力系數(shù)。

1.2 仿真模型

風(fēng)送式噴霧機(jī)主要由風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒、導(dǎo)葉、水泵、管路和噴嘴等組成，其中噴嘴在出口處均勻環(huán)繞，其分布如圖1所示。

圖1 噴嘴分布示意圖

選取的噴霧機(jī)噴嘴直徑為850 mm，噴嘴數(shù)量為80個(gè)，各噴嘴軸心與風(fēng)筒軸心的夾角為30°；選定噴嘴類型為壓力旋流型噴嘴，其孔徑為0.75 mm；水泵壓力為2.5 MPa，噴霧半錐角為36°。

根據(jù)風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)筒出口尺寸及額定射程距離，建立六面體流域，流域的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如圖2所示。

圖2 風(fēng)送式噴霧機(jī)流域示意圖

風(fēng)筒出口中心距離地面高度為1.5 m，風(fēng)筒出口軸線與水平地面的夾角為20°。

由于流域較為規(guī)整，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對入口區(qū)域采用O型切割并進(jìn)行加密處理。

1.3 邊界條件及計(jì)算

邊界條件：將噴霧機(jī)風(fēng)筒出口設(shè)為速度邊界，其值為36 m/s，溫度293 K，相對濕度50%；地面采用無滑移壁面邊界，近壁區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，DPM邊界采用TRAP；其他邊界為壓力邊界，其值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，DPM邊界為Escape。

采用壓力旋流霧化噴嘴注入霧滴，流量設(shè)為0.2 kg/s，并在仿真計(jì)算中開啟TAB霧滴破碎模型。同時(shí)考慮重力的影響，重力加速度為9.8 m/s2。

計(jì)算狀態(tài)設(shè)置為瞬態(tài)，取時(shí)間步長為0.01 s，每個(gè)時(shí)間步長最大迭代次數(shù)設(shè)為40次，計(jì)算時(shí)長設(shè)置為20 s。數(shù)值計(jì)算采用壓力—速度耦合求解算法，壓力方程采用二階迎風(fēng)格式求解，壓力—速度耦合采用SIMPLEC算法。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性及驗(yàn)證

通過對所建網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，并取x=80 m的平均速度作為網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證的指標(biāo)，所得到的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

由表1可知，當(dāng)流域的網(wǎng)格數(shù)從212.5萬增加到430.1萬個(gè)時(shí)，平均風(fēng)速逐步趨于穩(wěn)定。為了減少計(jì)算量，最終選取流域的網(wǎng)格數(shù)359.2萬個(gè)。

為了驗(yàn)證噴嘴霧化模型的可行性，在相同工況下，對噴嘴模型進(jìn)行仿真分析，計(jì)算得到的霧滴粒徑分布曲線與試驗(yàn)測試結(jié)果的對比如圖3所示。

圖3 噴嘴霧化的結(jié)果對比

由圖3可知，噴嘴霧化模型所得到的霧滴粒徑分布與試驗(yàn)測試值具有相同的變化規(guī)律，二者的數(shù)值也較為接近，說明所建立的噴嘴霧化模型是可行的。

2 結(jié)果分析與討論

通過對所建的仿真模型進(jìn)行計(jì)算，得到有霧滴與無霧滴時(shí)氣體流場的速度云圖，如圖4所示。

(a)無霧滴

從圖4(a)可以看出，無霧滴時(shí)，氣體流場的速度分布呈現(xiàn)錐形對稱分布，且隨著出口軸線距離的延長，氣體的流速逐漸減小，這與氣體自由噴射模型的流場特征相吻合。

從圖4(b)可以看出，當(dāng)氣體中含有霧滴時(shí)，由于霧滴顆粒耦合誘導(dǎo)作用，使氣體流場末端速度分布形態(tài)比無霧滴時(shí)要大，且向地面彎曲，這主要是因?yàn)殡S著氣體流速的減小，霧滴在其重力作用下發(fā)生沉降，以及微小霧滴在氣流作用下發(fā)生擴(kuò)散漂移所引起，且霧滴沉降是主要的誘因。

霧滴顆粒粒徑及其軌跡的分布如圖5所示。

圖5 霧滴顆粒粒徑及其軌跡的分布

由圖5可知，霧滴的分布形態(tài)呈現(xiàn)拋物狀，在其前3/5的距離，由于受到高速氣流的裹挾作用，霧滴分布相對集中即處于噴射階段；隨著氣流速度的減小，粒徑大的霧滴首先開始沉降，當(dāng)氣流速度減小到不足以支撐霧滴時(shí)，霧滴在慣性下呈現(xiàn)拋物沉降運(yùn)動并靠近地面，此段位于3/5～4/5處；當(dāng)霧滴靠近地面后，由于其沉降阻力增大，霧滴會沿著地面漂移。即霧滴經(jīng)歷噴射、沉降和漂移的距離之比接近3∶1∶1。

在霧滴沉降到地面后，每平方厘米內(nèi)霧滴的個(gè)數(shù)即霧滴密度與距離之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 霧滴密度隨距離的分布規(guī)律

從圖6可以看出，落到地面上的霧滴密度隨距離的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其有效作用范圍為60～78 m，即為最大射程的77%～100%。按照國家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[20]，將地面處每平方厘米內(nèi)霧滴顆粒數(shù)達(dá)到10個(gè)的最大水平距離作為噴霧機(jī)的射程，分析圖6得到所建模型的最大噴霧射程為78 m，霧滴密度的最大值出現(xiàn)在69 m處。

3 正交試驗(yàn)分析

根據(jù)風(fēng)送式噴霧機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝參數(shù)，取噴嘴的分布直徑、噴嘴數(shù)量、噴嘴角度、工作壓力及噴嘴孔徑作為影響因素，其正交試驗(yàn)因素值如表2所示。

表2 因素水平

正交試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的L16(45)正交試驗(yàn)表，正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析

由表3可知，獲得霧滴最大射程的因素組合為D4A4E2C2B2，影響霧滴射程因素的主次關(guān)系為：工作壓力、分布直徑、噴嘴孔徑、噴嘴角度、噴嘴數(shù)量。分析表明要增大噴霧機(jī)的射程，可適當(dāng)增大噴嘴的工作壓力和分布直徑，減少噴嘴數(shù)量。

采用最佳組合方案后，沉降到地面上每平方厘米內(nèi)的霧滴數(shù)量分布如圖7所示。

圖7 最佳方案地面霧滴密度情況

從圖7可以看出，噴霧機(jī)的有效作用范圍為55.0～85.8 m，霧滴的最大射程為85.8 m。同時(shí)對比圖6可知，有效作用范圍增大了167%，最大射程提升了6.4%，落入地面的霧滴密度分布更加集中，這更有利于揚(yáng)塵的治理。

4 結(jié)論

1) 噴霧機(jī)的霧滴運(yùn)動經(jīng)歷了噴射、沉降和漂移3個(gè)階段，且其距離之比接近3∶1∶1。噴射階段決定了霧滴射程的大小，霧滴的有效作用范圍為最大射程的77%～100%。

2) 影響霧滴射程因素的主次關(guān)系為：工作壓力、分布直徑、噴嘴孔徑、噴嘴角度、噴嘴數(shù)量。

3) 采用最佳組合方案后，不僅增大了噴霧機(jī)有效工作范圍，提升了最大射程，而且落入地面的霧滴密度分布更加集中，從而更有利于揚(yáng)塵治理。