黃沙散料流自由下落速度的實驗研究

白艷中，劉澤勤，王 蕊

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津300134)

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)、散料運輸?shù)冗^程中，常常伴隨著粉塵的產(chǎn)生，散射的粉塵受到環(huán)境空氣的作用而懸浮或在空氣中自由下落，造成局部甚至大面積的環(huán)境污染。身處粉塵污染環(huán)境不僅對皮膚健康會產(chǎn)生很大的危害，而且會影響人體心血管、呼吸道等的健康。近年來，世界上許多國家的工業(yè)機構(gòu)以及立法界對粉塵污染高度重視，越來越多的科研學(xué)者及環(huán)保學(xué)者投入到粉塵污染機理與控制的研究當(dāng)中。微粒粉塵在環(huán)境空氣中的運動特性是人工環(huán)境控制研究領(lǐng)域的重要課題之一。

微粒粉塵在自由下落的過程中，由于受到環(huán)境空氣的摩擦阻力及浮力等因素的影響，微粒流不斷卷吸周圍空氣到流場中，流場半徑逐漸增大，流場內(nèi)微粒濃度逐漸減小。同時，流場中不斷有微粒散射到周圍空氣中，對工作環(huán)境造成污染。通過對自由下落過程中微粒粉塵運動特性的研究，明確微粒流與環(huán)境空氣的耦合機理，可以為預(yù)測和監(jiān)控粉塵污染提供一定的科學(xué)依據(jù)。本文利用專門搭建的實驗裝置，對黃沙散料在靜止環(huán)境空氣中的自由下落過程進行實驗研究，得出散料在不同參數(shù)條件下的下降速度的變化規(guī)律。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自由下落微粒流是氣固兩相流的一種，區(qū)別于一般氣固兩相流的最大特點是:自由下落微粒流場沒有特定的流場邊界，流場內(nèi)的固相顆粒與環(huán)境空氣之間存在相互的耦合作用，流場半徑隨著下降高度的增大而增大，流場內(nèi)部的微粒濃度隨之減小。

Henmon教授是最早研究自由下落微粒流中固相顆粒與氣相空氣之間耦合關(guān)系的學(xué)者之一。20世紀中期，Henmon教授提出了靜止空氣環(huán)境中的單個顆粒自由下落模型，這種模型忽略除重力之外的其他所有作用力，并且給出了顆粒在自由下落過程中的卷吸空氣量公式［1］。由于單個顆粒的運動現(xiàn)象與微粒群的自由下降特性存在較大差異，上述模型適用范圍較窄。Tooker教授在文獻［2，3］中將微粒流的自由下落過程視為充分發(fā)展的湍流流動，對Hemeon教授提出的單個顆粒與環(huán)境空氣的卷吸量公式進行了改進。Cooper、Arnold［4］以及 Cooper et al.［5］的研究表明隨著下降高度的增加，微粒流場核心區(qū)域的截面積減小，邊界層的半徑增大。Plinke等［6］在1995年運用專門設(shè)計的實驗裝置對自由下落微粒流場的質(zhì)量流量、下降高度、微粒粒徑以及空氣溫濕度等物理參數(shù)進行了測試和分析，研究給出了各參數(shù)之間的相互影響及變化規(guī)律。Koichiro Ogata等［7］在2001年使用激光多普勒速度測試儀對等直徑的球形玻璃珠的自由下落過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)在開放環(huán)境中，微粒群的下落速度比單一顆粒自由下落的速度要大的多;在物理性質(zhì)不變的情況下，自由下落微粒流的質(zhì)量流量僅與物料出口口徑有關(guān)。Liu等［8～11］對自由下落微粒流與環(huán)境空氣之間的耦合機理進行了較為深入的研究，其研究表明:自由下落微粒流在下落過程中，會和周圍環(huán)境空氣產(chǎn)生摩擦，進而產(chǎn)生卷吸現(xiàn)象，并定義這類微粒流動為自由下落微粒羽流。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以黃沙為研究對象，利用專門設(shè)計搭建的實驗裝置，研究微粒流在自由下落過程中，下降速度與初始下落口徑以及微粒粒徑之間的關(guān)系。

3 實驗方法

根據(jù)自由下落微粒流的流動特點以及實驗的測試需要，本實驗設(shè)計搭建了專門的實驗裝置。實驗裝置主要由實驗框架、物料筒、進料漏斗、出料漏斗、收集器等部件組成。實驗中選用4種不同口徑的出料漏斗，口徑分別為3、4、5、6mm。該實驗裝置的基本框架分為上下兩個部分，上部分為物料儲存系統(tǒng)，采用經(jīng)典的雙筒漏斗下落結(jié)構(gòu)以及可變徑的光滑漏斗出口，可確保物料穩(wěn)定下落;下部分為收集系統(tǒng)，作用是回收散落物料，以節(jié)約成本并保護實驗室環(huán)境。實驗裝置簡圖見圖1。

圖1 自由下落微粒羽流實驗裝置示意圖

本實驗選用5種不同粒徑的黃沙作為實驗對象，采用激光粒度儀(Eye－Tech Particle size and shape analyzer)對實驗顆粒進行掃描與檢測，并且使用其配套軟件Hi－tech進行復(fù)雜的動態(tài)圖像分析，可以較精確的得到各種球形、非球形及細長顆粒的粒形、粒度和濃度。通過對所選黃沙的粒徑進行分析，可得五種不同黃沙的粒徑分別為 535.19、393.51、332.35、188.38、163.74m。

實驗過程中，采用高速攝像儀(CamRecord 600)對每組實驗進行跟蹤拍攝，觀測并記錄微粒流場的運動狀況及速度場特性，并使用配套的Insight3G軟件對所拍攝的圖片進行分析處理，得到顆粒的瞬時下降速度，進而分析得出不同下落高度微粒流的瞬時速度。

根據(jù)實驗研究對象的具體特性，為便于研究和操作，對實驗進行如下假設(shè):黃沙顆粒均為球形、單一尺寸，且密度遠大于空氣密度;將環(huán)境空氣視為靜止的、不可壓縮的連續(xù)相，即微粒在自由下落的過程中僅受到重力、浮力及摩擦阻力的影響，忽略其他外界因素對顆粒運動的擾動。

4 實驗結(jié)果及討論

4.1 不同下落口徑對微粒下降速度的影響

同一粒徑(393.51μm)的黃沙在初始下落口徑分別為3、4、5、6mm時，其微粒瞬時下降速度與下降高度之間的變化關(guān)系如圖2所示。由圖中看出:4種工況下微粒下落速度隨下落高度增大的變化趨勢基本相同，微粒的瞬時下落速度隨著下降高度的增加而增大;微粒速度在下落前期增長較快，于下降高度達到0.06m后趨于平緩，進入該工況的勻速下落段。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因為微粒流在自由下落過程中受到環(huán)境空氣摩擦影響，摩擦阻力隨著下降高度的增加而增大，當(dāng)增大到與重力等其他受力相互抵消時，微粒流即呈現(xiàn)穩(wěn)定下落狀態(tài)，其下降速度達到穩(wěn)定值。

圖2 不同下落口徑時，下降速度與下降高度之間變化關(guān)系

從圖2中還可以看出，同一下落高度，初始下落口徑越大，微粒束的瞬時下降速度越大。這說明粒徑相同的同種物料在自由下落過程中，微粒流瞬時下降速度的增長速率隨初始下落口徑的增大而增大。造成這種現(xiàn)象的原因主要是當(dāng)初始下落口徑較大時，微粒束的核心區(qū)域較寬，自由下落粒子流內(nèi)部粒子較多，微粒流束受到的摩擦阻力相對較小。因此，下降高度相同時，初始下落口徑越大，其微粒束的瞬時下降速度越大。

4.2 粒徑對微粒下降速度影響

粒徑分別為 535.19、393.51、331.35、188.38、163.74μm的黃沙在下落出口半徑為4mm時，其自由瞬時下降速度與下降高度之間的變化關(guān)系如圖3所示。由圖可以看出:五種粒徑的黃沙的速度變化趨勢基本相同，微粒的瞬時下降速度隨著下降高度的增加而增大;微粒速度在下落的前期增長較快，下降高度達到0.06m后趨于平緩，進入該工況的勻速下落段。說明微粒的瞬時下降速度隨著下降高度的增加而增大的現(xiàn)象普遍存在。

圖3 下落口徑相同時，黃沙下降速度與下降高度變化關(guān)系

由圖3可以看出，當(dāng)自由下落微粒流下降高度相同時，粒徑越大，微粒束的瞬時下降速度也越大。這表明微粒在同一初始下落口徑下的自由下落過程中，微粒流下降速度的增長速率隨微粒粒徑的增大而增大。造成這種現(xiàn)象的原因主要是在粒徑較大的微粒流場中，流場中空氣所占比例較大，雖然所受摩擦阻力較大，但由于粒子質(zhì)量也隨之增長，粒子所受合力也大，這就導(dǎo)致其下落速度增長速率較小粒徑微粒束大，下落高度相同時，粒徑越大的粒子束其瞬時下落速度越大。

5 結(jié)語

對于各種自由下落微粒流，由于受到摩擦阻力、重力以及浮力等因素的綜合影響，微粒的瞬時下降速度隨著下降高度的增加而增大;微粒速度在下落的前期增長較快，在下降高度達到0.06m后趨于平緩，進入該工況的勻速下落段。微粒流的瞬時下降速度隨著初始下落口徑的增大而增大，隨著微粒粒徑的增大而增大。

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