風速與噴嘴安裝角對細水霧顆粒運動的影響

劉志超 李 彬 李艷波

(河南理工大學機械與動力工程學院，河南 焦作 454003)

風速與噴嘴安裝角對細水霧顆粒運動的影響

劉志超 李 彬 李艷波

(河南理工大學機械與動力工程學院，河南 焦作 454003)

為了研究射霧器中噴嘴安裝角度和風速對單顆粒運動軌跡的影響，設計了由供風系統、噴霧系統、測試系統組成的遠程射霧器實驗平臺。采用高速動態數字攝像儀對不同的風速和噴嘴安裝角度進行了實驗，即在風機開啟時分別測定不同工況下細水霧單顆粒的運動，并利用MATLAB繪制細水霧單顆粒運動軌跡圖，得到了不同風速和噴嘴安裝角度對細水霧單顆粒運動的關系：當風速增大時，單顆粒的運動速度提高；噴嘴的安裝角度對單顆粒的運動幾乎沒有影響。

單顆粒 運動 風速 安裝角度

近年來，隨著采煤、采石等行業的迅速發展，機械化水平大幅增高，在開采、運輸和儲存過程中產生了大量的粉塵，嚴重威脅工礦企業的安全生產和職工的身體健康[1]。粉塵不僅會引發爆炸，降低能見度和磨損設備對安全生產造成威脅[2]，還會對人體健康帶來不良的影響，長期處于高粉塵濃度的地方工作，很容易引發塵肺病、角膜炎、哮喘性支氣管炎等癥狀[3-4]。因此，降塵除塵已逐漸成為一項亟待解決的社會問題[5]。

21世紀初，粒徑小于2.5 μm的粉塵對人類健康的危害引起了人們的高度重視[6-7]。各種除塵方法迅速發展，噴霧除塵因其具有所需設備簡單、使用方便等優點，在眾多除塵方法中脫穎而出。近年來噴霧除塵技術得到了不斷改進：C.R.Mack Cali和B.Osk從實驗中觀察到，塵粒與水滴碰撞時受到界面張力的阻礙，若塵粒的慣性作用力小于界面張力，塵粒不會被捕捉，這一發現為后來的研究提供了基礎[8]；陳明基等[9]運用流體力學理論進行分析研究，提出了計算捕塵效率的方法；劉江虹[10]利用三維激光多普勒測速計和自適性相位多普勒速度計系統(三維LDV/APV系統)對設計的小型低速風洞進行了研究，實驗結果表明：實驗空間內通風對霧滴的運動產生擾動形成渦旋，霧滴平均粒徑隨風速增加而增大，霧滴運動距離與霧通量成反比，但是基本上不影響霧滴速度和霧滴粒徑的大小；周剛等[11-12]認為高壓噴霧時，噴嘴出口附近的一次霧化是由噴嘴內部形成的空穴和湍流主導的，而空氣動力則影響著液滴的二次霧化過程；馬素平等[13]提出了無論在哪種場合下，水霧粒度、水霧顆粒的運動速度、空間含水量和供水壓力有著直接關系，因而降塵效率主要取決于供水壓力和水霧顆粒的運動速度，但對于粒徑小于0.5 μm的微細粉塵，壓力型霧化噴嘴噴霧無法達到降塵的目的。

以上研究工作表明提高細水霧顆粒的運動速度有利于提高噴霧除塵的效率，但是很少有綜合對比分析風速與噴嘴安裝角度對細水霧顆粒運動速度的影響。本課題對不同噴嘴安裝角度和不同風速下水霧場單顆粒的運動進行了實驗研究，實驗結果為噴霧除塵主要裝置——射霧器的優化設計和降塵效率的提高提供了一定的參考依據。

1 實驗的基本原理

根據中低壓細水霧除塵中通用的風速，選定實驗過程中的風速變化范圍，并搭建一個能夠產生細水霧的實驗裝置，然后利用高速動態數字攝像儀測定不同風速和噴嘴安裝角度下形成的細水霧顆粒的運動狀態，采用MATLAB軟件進行數據處理，分析研究風速和噴嘴安裝角度對細水霧顆粒運動的影響[14]。

2 實驗設計

2.1 實驗模型的建立

實驗設計了供風系統、噴霧系統和測試系統等構成的實驗平臺。供風系統中的風筒分漸縮風筒、柱形導風筒和錐形導風筒3段。所設計的射霧器實驗模型如圖1所示。

圖1 射霧器實驗模型

該實驗模型主要有2個部分組成，即包括水箱、水泵和噴嘴的噴霧系統與制造風流場的風機和風筒。3段風筒的具體參數如表1所示。

表1 風筒具體尺寸

實驗中將離心風機與風筒通過管路連接以達到遠程送風的目的。噴嘴安裝在風筒出口，細水霧顆粒由風流場送往遠處。

2.2 實驗方案的確定

具體的實驗方案如圖2所示。

圖2 實驗方案示意

詳細的實驗步驟如下。

(1)開啟風機，利用熱線式風速風量儀分別調出0、6、7、8、9和10 m/s共6種不同風速，并在風機的調節旋鈕上分別做標記，關閉風機。

(2)開啟離心泵，調節位于噴嘴上游的減壓閥，使壓力表的讀數為1 MPa，關閉離心泵。

(3)將噴嘴的安裝角度調為0°，啟動離心泵，待水霧穩定后，打開高速攝像儀，通過計算機工作界面進行調整，選擇最清晰的工作界面參數。

(4)啟動風機，分別調節風速至0、6、7、8、9、10 m/s，待水霧穩定后拍攝，分別記錄不同風速下的細水霧顆粒的運動數據。

(5)關閉離心泵和風機，依次調整噴嘴的安裝角度為15°、30°、45°和60°，并分別重復步驟(3)、(4)進行實驗。

3 實驗結果討論

本實驗利用控制單一變量法進行，并對得到的數據進行分析，為確保實驗結果的準確性，達到減少因人為因素造成的測量誤差，采用在風速調節器上進行標記的方式確定不同風速對應的旋鈕位置，并選擇晴朗無風天氣進行實驗，以減小自然風對水霧穩定性的影響。經過多次測量篩選后得到以下結果。

3.1 噴嘴安裝角度對細水霧單顆粒運動的影響

不同噴嘴安裝角度下的單顆粒運動軌跡如圖3所示，分別用不同顏色的線條描述噴嘴安裝角度為0°、15°、30°、45°和60°時單顆粒的運動軌跡。本實驗測量時以噴嘴出口為原點，當顆粒位移為0時，細水霧顆粒表現為細水霧流場初始狀態。由圖3可知：此時的單顆粒運動速度均為2 m/s；細水霧顆粒位移很小，約為9.56×10-5m，運動速度在風流場的作用下急速增大，達到最大值11.11 m/s；在位移約為0.06 m時，運動速度經過波動達到最小值3 m/s；當細水霧顆粒位移小于0.06 m時，風流場由于受到噴嘴的影響擾動較大，細水霧顆粒的運動也受到很大影響，波動較大；當位移大于0.06 m時，在穩定風流場的影響下，細水霧顆粒的運動速度逐漸增大至7 m/s左右。從圖3中可以看出，5種不同噴嘴安裝角度下細水霧顆粒的運動軌跡幾乎完全重合，噴嘴的安裝角度對細水霧顆粒的運動影響很小，甚至可以忽略不計。

圖3 噴嘴安裝角度對細水霧顆粒運動的影響

3.2 風速對細水霧單顆粒運動的影響

圖4給出了風速分別為6、7、8、9和10 m/s時單顆粒的運動軌跡。本次實驗測量時同樣以噴嘴出口為原點，當顆粒位移為0時，單顆粒運動速度為2 m/s，為細水霧初始狀態。細水霧初始狀態相同且噴嘴安裝角度相同，因此細水霧流場相同。由圖4可知，當風速變化時，雖然單顆粒的位移-速度曲線變化趨勢基本一致，但單顆粒的運動速度隨風速的改變而改變，當風速增大時，單顆粒運動速度隨之增大，具體結果如表2所示。

圖4 風速對細水霧顆粒運動的影響

通過對表2中的實驗數據的對比分析，可以看出：當風速從6 m/s依次增加到10 m/s時，細水霧顆粒的最大速度從9.25 m/s依次增加到10.76 m/s，最小速度從2.56 m/s依次增加到2.93 m/s，穩定速度從6 m/s依次增加到6.83 m/s。細水霧顆粒的運動隨風速的改變而改變，因此，在實際的細水霧除塵過程中，可以通過改變風流場的風速，達到調節細水霧顆粒運動速度，提高除塵效率的目的。

表2 不同風速下細水霧顆粒的運動速度

Table 2 Moving speeds of the single particle of mist under the different wind speeds m/s

風 速細水霧顆粒運動速度最大速度最小速度穩定速度69.252.56679.632.656.13810.032.736.41910.392.846.571010.762.936.83

4 結 論

利用自行設計和制造的實驗設備，在中低壓細水霧除塵的噴水壓力和風速的前提下，通過對5種噴嘴安裝角度和6種不同風速30種工況下細水霧顆粒的運動狀態進行測定，得到了細水霧顆粒的運動與射霧器風速和噴嘴安裝角度關系的實驗數據。利用MATLAB對實驗數據分析得到：細水霧顆粒的運動更多地受到風速的影響，當風速變化的時候，雖然單顆粒的位移-速度曲線變化趨勢基本一致，但單顆粒的運動速度隨風速的增加而增加。因此在細水霧除塵技術中可以采用改變射霧器風速的措施來調節細水霧顆粒的運動速度，從而達到提高除塵效率的目的。

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(責任編輯 徐志宏)

Effect of the Wind Speed and the Nozzle Angle on Single Particle of Mist

Liu Zhichao Li Bin Li Yanbo

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454003，China)

In order to study the effects of nozzle angle and wind on movement trajectories of single particle，the experimental platform which was made up of wind supple system，mist supple system and test system was designed.High speed digital camera was adopted to make experiments on different wind speeds and nozzle angles.Through measuring the movement of a single particle under different working conditions when fan is on，the single particle trajectory of mist was drawn by using MATLAB，and the relationship between a single particle trajectory and the wind speed the nozzle angle was obtained.The speed of single particle is improved when the wind increases，and the nozzle angle has little effect on the movement of single particle.

Single particle，Motion，Wind speed，Mounting angle

2015-05-02

河南理工大學熱能工程重點項目(編號：509927)，河南理工大學博士基金項目(編號：B2010-41)。

劉志超(1961—)，男，教授，博士，碩士研究生導師。

X936

A

1001-1250(2015)-09-122-04