旋流離心噴嘴結構參數對霧化特性影響現狀分析?

劉夢紅,劉何清,2,吳 揚

(1.湖南科技大學資源環境與安全工程學院, 湖南湘潭市 411201; 2.湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室, 湖南湘潭市 411201)

旋流離心噴嘴結構參數對霧化特性影響現狀分析?

劉夢紅1,劉何清1,2,吳 揚1

(1.湖南科技大學資源環境與安全工程學院, 湖南湘潭市 411201; 2.湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室, 湖南湘潭市 411201)

影響旋流離心噴嘴霧化特性的因素很多,其中旋流離心噴嘴結構參數對噴嘴霧化特性影響復雜、多樣,得到很多學者關注,并開展了大量的研究。歸納與分析整理了以往學者的研究成果,對旋流離心噴嘴霧化錐角、液滴速度、液滴直徑的影響因素及研究現狀進行了較全面的評述,并總結得出了有待進一步研究的問題,為今后的研究方向提供了參考。

噴霧除塵;離心噴嘴;霧化特性;結構參數

0 引 言

礦井塵害是礦山主要災害之一,嚴重威脅井下工作人員的身體健康。目前粉塵防治技術[1-3]有煤層預注水、噴霧降塵、通風除塵和個體防護措施等,其中噴霧降塵技術是礦井除塵最普遍、最有效的方式之一。而噴霧降塵效果的關鍵是噴嘴霧化特性,噴嘴的結構參數是影響霧化特性的關鍵之一,因此研究噴嘴結構參數對噴霧霧化特性的影響有著重要意義。

旋流離心噴嘴結構參數[4-6]主要包括:噴嘴孔徑、旋流室直徑、旋流入口角度、噴嘴長度和出口長徑比等。噴霧霧化特性參數[7-9]包括宏觀參數與微觀參數兩個方面,宏觀參數有:霧化錐角、射流貫穿長度、液膜破碎長度和液滴在噴霧場中的分布;微觀參數有:液滴尺寸、液滴在流場中的位置、速度與粒徑的分布。

正是由于噴嘴結構參數對其霧化特性及降塵效率有重要的影響,因此,國內外學者開展了大量的理論與實驗研究,取得了一系列研究成果[10-11]。基于此,筆者根據自己掌握的相關知識與認識,對旋流離心噴嘴結構參數對其霧化特性影響現狀進行粗淺的分析,試圖提出今后的研究趨向。

1 旋流離心噴嘴結構參數對霧化錐角的影響

霧化錐角即為噴霧射流中張開的角度,它是描述液體射流霧化特性和霧化質量的重要參數之一,關系到實際工程中噴嘴布置的間距與密度[12-14]。噴嘴結構參數對旋流離心噴嘴霧化錐角的影響較復雜,且國內外學者對其進行了大量的實驗與數值模擬研究,下文筆者主要歸納與分析眾學者關于噴嘴孔徑、旋流室直徑和入口角度對霧化錐角的影響。

1.1 噴嘴孔徑對霧化錐角的影響

1982年,日本學者廣安博之[15]推導出了霧化錐角與噴孔直徑的經驗公式,并發現:較大的離心噴嘴孔徑,噴口面積較大,出口阻力小,霧化錐角小,但噴霧液膜較厚,射流破碎時間和液膜破碎長度較長;較小的離心噴嘴孔徑,噴口面積較小,霧化錐角大,噴口處形成較薄的錐形液膜[16]。但此結論未通過實驗驗證,也未闡述噴霧錐形液膜與霧化效果好壞是否有關。

Mohammad[17]開展了旋流離心噴嘴結構參數對噴霧特性影響的實驗研究,通過增加旋流離心噴嘴的孔徑,發現旋流室入口的切向速度增加,噴嘴出口處的切向速度隨之增加,霧化錐角增大。實驗結果與廣安博之學者推導的經驗公式完全不相符,因此后續許多學者通過實驗與數值模擬進行了求證分析。

周猛[18]等采用動量守恒原理,推導并建立了旋流離心噴嘴無粘理論計算模型,并得出了噴嘴孔徑與霧化錐角的關系曲線,發現霧化錐角也隨噴嘴孔徑的增大而增大,并將實驗數據與計算結果進行比較,基本吻合,但實驗數據較理論計算數據總體偏小;該學者沒有分析造成實驗霧化錐角偏小的原因。Akira[19-20]等認為隨旋流離心噴嘴孔徑的增加,液體流動阻力小,噴孔內湍流強度增加,噴孔外的環境介質會被倒吸進噴孔,壓迫噴孔內的空泡區,使噴孔壁上出現一層薄壁氣體,導致噴霧液體與噴孔壁面分離,出現噴霧錐角減小的現象。尹俊連[21]等通過VOF軟件模擬旋流離心噴嘴內部的氣液兩相流動,噴孔孔徑越小,液體開始破碎時間越早,更易促進液體表面的初始擾動水平,形成液滴分離,并發現錐形液膜厚度是由空氣芯的尺寸決定的,得出了預測錐形液膜厚度的公式,但未經實驗驗證。

王謙[22]等學者利用超高速攝影儀觀察了4mm范圍內的噴孔直徑對霧化錐角的影響,并對啟噴與穩定階段的噴霧霧化錐角進行較全面分析,啟噴這一瞬態過程主要受噴孔內流動產生的空穴以及湍流影響,而穩定階段由氣動力的作用,造成噴霧錐角隨孔徑增大而增大,小孔徑噴嘴錐形液膜破碎時間短,有利于加快霧化時間。邱慶剛[4]基于VOF建立湍流模型,對錐形液膜厚度進行模擬分析,得出孔徑越大,錐形液膜厚度稍大些,液膜破碎長度越長,但液膜厚度在噴霧過程中不穩定。

綜上所述,噴嘴孔徑對霧化錐角的影響有2種截然相反的結論。多數學者的研究結論是:霧化錐角與孔徑大小成正比關系,較大孔徑的霧化錐角大,但錐形液膜厚度厚,射流破碎時間長;較小孔徑的霧化錐角小,錐形液膜厚度薄,射流破碎時間短。少數學者研究結論相反,隨噴嘴孔徑增大,霧化錐角減小。因此,關于噴嘴孔徑對霧化錐角的影響還有待從機理到實驗的進一步研究。

1.2 旋流室尺寸對霧化錐角的影響

高壓液體經過旋流室進入噴嘴,在離心力的作用下高壓液體在旋流室內做高速旋轉運動,然后以較高的速度從噴嘴出口噴射而出,因此,旋流室的結構及參數直接影響霧化錐角的大小。國內外已有很多學者通過實驗、數值模擬等方法開展了旋流室直徑、入口傾斜角對霧化錐角的影響研究,并取得了一定的研究成果。

1.2.1 旋流室直徑對霧化錐角的影響

Sakman[23]通過拉格朗日－歐拉法研究了噴嘴旋流室直徑等旋流離心噴嘴結構參數對霧化特性的影響,并得到霧化錐角與旋流室直徑的關系曲線,發現霧化錐角隨旋流室直徑的增大有所增大,但不明顯。

趙子行[24]對3個旋流室直徑不同的噴嘴進行了霧化錐角的實驗研究,在相同噴霧壓力下,增大旋流室直徑,噴嘴初始旋流度增加,射流徑向速度越大,噴霧錐角張開度有所增大,但不明顯。董星濤[8]等對2.5～4mm的旋流室直徑的霧化錐角進行測定,發現旋流室直徑為3mm時,霧化錐角達到最大值,繼續增大旋流室直徑,霧化錐角不再變化。王曉琦[25]的實驗研究也發現旋流室直徑的變化對霧化錐角大小影響不明顯。

綜上所述,理論與實驗研究均表明,旋流室直徑對噴霧霧化錐角的影響不大。

1.2.2 旋流室入口傾斜角對霧化錐角的影響

XUE[26]等利用數值方法研究了90°到180°的旋流離心噴嘴錐形室入口傾斜角對霧化錐角的影響,發現其對霧化錐角的影響較小,但會改變液體薄膜的厚度。可由于無法具體測量液膜厚度,也未得出旋流室入口角度與液膜厚度的函數關系。

張永良[6]設計了進液傾斜角為30°的可視化透明離心噴嘴,與切向進液進行實驗對比研究,并采用高速攝像儀拍攝噴嘴霧化錐角的變化趨勢。實驗表明:30°進液較切向進液相比,軸向方向速度增加,霧化錐角可達到75°,噴嘴出口液膜厚度小。但該學者未對其他傾斜角的進液方式進行對比實驗,因此未找到最佳的進液傾斜角。閆云飛[27]實驗得出,旋流室入口角度為90°、旋流室與噴孔直徑比D/d為4.4～6.4時,噴嘴的霧化錐角為70°左右,霧化效果良好。但未計算D/d的值為多少時,霧化錐角達到最大值,沒有對不同入口角度的霧化錐角進行對比分析,沒有得出入口角度與霧化錐角的函數關系。潘振華[5]等對旋流室入口傾斜角為20°～40°間的進液方式,進行了9組工況的實驗研究,發現切向槽位置設在旋流室圓錐半徑1/2或3/4處,傾斜角取最小值20°時,霧化錐角最大,霧化質量較好,但由于實驗樣本較少,實驗結論的準確性還有待進一步考證。

綜上所述,通過數值模擬研究與實驗研究,旋流室入口傾斜角對霧化錐角的影響得出的結論存在偏差,實驗研究得出旋流室入口傾斜角對霧化錐角有顯著的影響,且存在最優角度。但由于實驗樣本量較小及實驗條件的限制,加上實驗研究與理論分析的不一致性,已經取得的結論還有待進一步理論分析和實驗室驗證,有待理論與實驗的新發現。

2 旋流離心噴嘴結構參數對液滴速度的影響

噴霧降塵裝置的噴嘴出口液滴擴散速度,直接影響液滴捕捉粉塵的效率,液滴速度過高或過低均會影響液滴捕捉粉塵的效率。因此,許多學者試圖通過機理分析和實驗研究,以求獲得最佳捕塵液滴速度。

2.1 噴嘴孔徑對液滴速度的影響

董星濤,劉焜[8,28]等分別采用Fluent軟件和多普勒相位儀(PDPA)分析了霧化外場的霧化特性,測量了霧化外場中液滴軸向速度,液體壓力一定時,增大噴嘴孔徑液滴的軸向速度變大,但不明顯。尹俊連[21]等采用VOF多相模型對旋流噴嘴內部的氣液兩相流動進行了數值模擬,并通過激光測速儀與高速攝影測量了噴嘴孔徑對徑向液滴速度的影響,結果顯示:噴霧液滴徑向液滴速度隨噴嘴孔徑增大而增大,實驗值與計算值基本相符,并闡明噴嘴內空氣芯的作用會導致液滴實驗速度較模擬速度偏小。

聶濤[29]在噴霧壓力為5MPa下,分別對1.0 mm、1.2mm、1.5mm的噴嘴孔徑與噴霧內流場液滴速度的影響規律進行數值模擬分析,研究發現:內流場液滴速度隨孔徑的增大而減小。其中,孔徑為1.0mm的旋流噴嘴液滴切向速度最大,且切向速度變化速率大,霧化效果最好。周佳[30]利用Fluent軟件對噴霧內流場進行了模擬分析,結果表明:孔徑為1.0mm時,旋流半徑對噴嘴出口速度影響最顯著,對不同方向的影響程度排序為:切向速度＞徑向速度＞軸向速度。

綜上所述,噴孔直徑對液滴速度有影響。在噴霧外場,隨噴嘴孔徑增大,噴孔內阻力減小,噴霧液滴速度增大;在噴霧內流場,噴霧速度隨噴嘴孔徑的增大而減小,減小原因有待分析與論證。另外,孔徑對不同方向速度影響程度不同:切向速度＞徑向速度＞軸向速度。由于不同噴嘴的參數不同,無法籠統說噴孔直徑對應的最佳速度,只能根據實驗中的具體情況測定。

2.2 旋流室直徑對液滴速度的影響

Santolaya[31]等應用PDPA研究了旋流噴嘴出口霧滴的速度,旋流室直徑增大,旋流室旋流強度增加,液滴出口速度隨之增加。Hosoya[32]等在穩態的條件下,使用PDPA對燃油噴霧特性進行了實驗研究,測定了噴霧液滴速度與旋流室直徑的影響規律,發現噴霧液滴速度與旋流室直徑大小呈近線性關系。

張樂超[33]等概述了國內外噴孔幾何特征尺寸對柴油噴霧性能影響的研究現狀,并且闡述了旋流尺寸等特征尺寸對柴油噴霧特性的影響,在其他參數不變條件下,增大噴嘴旋流半徑,旋流強度增大,液滴的出口速度增大。閆超[34]研究得出,旋流直徑增加,旋流室內切向速度迅速增加,噴霧液滴的速度也隨之增加,繪出了旋流尺寸與液滴速度的曲線,得出旋流尺寸大小與液滴速度呈近似線性關系。

綜上所述,旋流室直徑對噴嘴液滴速度有影響,且近似為線性關系,液滴速度的增大隨旋流室直徑的增大而增大。但是未對旋流室直徑霧滴的切向速度、徑向速度與軸向速度進行深入的分析。

3 旋流離心噴嘴結構參數對液滴直徑的影響

噴霧液滴粒徑與液滴尺寸分布是衡量噴霧霧化特性好壞的重要指標,而旋流離心噴嘴結構參數對噴霧液滴粒徑有影響。因此研究旋流離心噴嘴結構參數與液滴直徑的規律對噴霧霧化特性有一定的意義。

3.1 噴嘴孔徑對液滴直徑的影響

Elkotb等[35]通過噴霧實驗,得到了不同噴嘴孔徑下噴霧液滴尺寸的分布曲線,結果表明:隨著噴孔直徑的減小,索泰爾平均直徑(SMD)減小。Simmons和Harding[36]采用激光粒度分析儀構建了旋流離心噴嘴噴霧實驗系統,得到了不同孔徑下的霧滴直徑,并得到了他們的關系曲線,霧粒SMD隨噴嘴孔徑的減小而減小,在霧場軸向方向先增大后減小,最后趨于穩定,呈近“正態分布”。

史紹熙[37]等人采用激光全息法對旋流噴嘴射流噴霧霧化進行了初步的探索,測量了旋流離心噴嘴霧化的液滴尺寸。聶濤[29]研究得出霧滴粒徑不僅隨噴霧壓力的增大而減小,也隨孔徑的減小而減小,同時,由于霧滴離開噴嘴時SMD較小,且霧場中霧粒較多不利于霧滴繼續破碎,粒徑在霧場軸向方向先增大后減小,最后趨于穩定。馬素平[9]在噴霧壓力為3～10MPa間,研究了孔徑為1.2～2.0 mm的噴嘴的液滴直徑,發現小孔徑的液滴直徑較小,小于1mm的孔徑,液滴直徑過小容易蒸發,且易發生水質問題導致噴嘴堵塞現象;大于2mm的孔徑,不僅耗水量大,相同壓力下霧滴粒徑過大,不利于除塵;實際工程中噴孔孔徑應在1～2mm間選擇。

綜上所述,液滴直徑隨噴孔直徑的減小而減小,過大的噴孔直徑液滴直徑過大,難以捕捉粉塵;過小的噴孔直徑液滴直徑過小,噴霧液滴在捕捉粉塵時易被蒸發。所以在噴霧除塵時,為產生捕捉粉塵的最佳液滴直徑,應選擇恰當的噴孔直徑。

3.2 旋流室直徑對液滴直徑的影響

Yeung[38]通過噴霧實驗研究,發現霧粒SMD基本不隨旋流室直徑的改變而改變,但未具體說明結果原因。LongWuqiang[39]等應用PDPA分析了噴嘴非穩態噴霧霧化特性,對預燃柴油機內的旋流室直徑和粒子的直徑分布進行了研究,結果發現:旋流室半徑的增加,旋流強度增大,液滴與大氣相對運動速度加快,一定程度上加快了液滴的破碎,使液滴直徑變小,但不明顯。

4 存在的問題與展望

歸納上述分析可知,雖然國內外學者開展了大量的研究,并取得了大量的研究成果,但由于不同噴嘴結構的霧化機理、實驗條件的限制,造成數值模擬、實驗室研究取得的結論都存在一定的局限性,還需進一步研究與完善。根據上文分析,目前研究中存在的不足與待解決的問題主要有:

(1)噴嘴孔徑對霧化錐角的影響有兩種截然相反的結論,多數學者研究結論是霧化錐角與孔徑大小成正比關系,少數學者研究結論是隨噴嘴孔徑增大霧化錐角減小。因此,關于噴嘴孔徑對霧化錐角的影響還有待從機理到實驗的進一步研究。

(2)噴嘴孔徑、旋流室尺寸等噴嘴結構參數對霧化錐形液膜厚度的影響尚無深入的研究,由于實驗儀器的限制,學者無法精確的通過實驗測量液膜厚度,也未能得出噴嘴結構參數與錐形液膜厚度的關系式。

(3)噴孔孔徑對液滴速度有影響。在噴霧外場,隨噴嘴孔徑增大,噴孔內阻力減小,噴霧液滴速度增大;在噴霧內流場,噴霧速度隨噴嘴孔徑的增大而減小,減小原因有待進一步分析研究。

(4)液滴直徑隨噴孔直徑的減小而減小,過大的噴孔直徑液滴直徑過大,難以捕捉粉塵;過小的噴孔直徑液滴直徑過小,噴霧液滴在捕捉粉塵時易被蒸發。因此,是否可以獲得既有利于捕塵、有不易蒸發的最佳液滴直徑及產生最佳液滴直徑的噴嘴結構參數組合尚有待研究。

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2017-05-15)

劉夢紅(1993－),女,湖南新化人,碩士研究生,主要研究礦井通風與粉塵防治,Email:782996767＠qq.com。

國家自然科學基金資助項目(51474105).