內混式空氣霧化噴嘴內部流動狀況對噴霧效果的影響*

張 奎，劉榮華，王鵬飛,3，王 健，石佚捷，裴 葉

(1.湖南科技大學 土木工程學院， 湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院， 湖南 湘潭市 411201；3.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)

0 前 言

礦山開采過程中產生大量粉塵，導致井下工作空間粉塵濃度極高，對安全生產、作業人員身體健康及周邊環境構成嚴重威脅[1]。噴霧降塵由于具有經濟、簡便和實用等優點，廣泛應用于礦山井下降塵[2]。氣水噴霧是以水和壓縮空氣作為雙動力的一種新型噴霧方式[3]，具有霧化質量好[4]、耗水量小、噴嘴不易堵塞[5]等優點，被廣泛應用于工業領域。內混式空氣霧化噴嘴利用氣液兩相的相互作用力使液滴破碎，高速氣流在噴嘴內部與低速液體混合，極大地改善了液體的霧化效果[6]。但是由于缺乏足夠的理論指導，實際應用中經常只憑經驗調節工況參數，不僅浪費水資源，也不能達到應有的降塵效果[7]。相關學者對內混式空氣霧化噴嘴的研究[3-4,8]，更多的是通過實驗分析了供氣壓力、供水壓力等外部參數對噴嘴霧化特性的影響。

但是國外相關學者研究表明，噴嘴幾何形狀和內部流動狀況和對噴霧的發展有較大影響[9-11]。在目前噴霧研究領域，通常認為實現液滴霧化最有效的途徑是提高液滴與周圍空氣之間的相對速度[4]。因此本文采用計算流體動力學方法，從噴嘴內部液體一次霧化及氣液相對速度方面，對噴嘴下游霧化效果的影響進行分析。

1 噴嘴內部模擬研究

1.1 物理模型與網格劃分

內混式空氣霧化噴嘴的結構見圖1，噴嘴內壓縮空氣對液柱進行沖擊破碎，形成帶狀液絲與液膜，此過程為一次破碎；然后高速氣流裹挾著液絲從噴嘴空氣帽出口噴出，在氣液兩相的相互作用力下，液絲進一步破碎成液滴，此過程為二次破碎[12]。其中噴嘴液體帽進氣口直徑為2.0 mm，空氣帽出口直徑為2.0 mm。根據噴嘴結構，將噴嘴內流道聯合外部噴霧場，采用Gambit軟件建立幾何模型，并進行網格劃分，在近壁面區域增加邊界層網格，如圖2所示。

圖1 內混式空氣霧化噴嘴簡化結構

1.2 數值計算參數設置

噴嘴內部模擬的兩相流模型為流體體積函數模型，設置空氣為第一相，水為第二相，氣液間的表面張力系數為0.073 N/m。湍流方程采用RNGk-?

圖2 幾何模型及網格劃分

兩方程湍流模型，壓力速度耦合方式采用PISO算法。由于氣體沿程損失和局部損失較大，且實驗無法測量噴嘴進氣孔入口的實際壓力，因此采用氣流量換算得到氣體速度，并作為速度入口邊界條件。其中氣流量采用公式(1)[3]計算，公式由相同噴嘴實驗數據擬合得到。液體壓力損失相對較小，因此進水口采用壓力入口邊界條件。噴霧場出口采用壓力出口邊界條件，為標準大氣壓101.325 kPa。考慮到內混式空氣霧化噴嘴的實際應用壓力范圍，供氣壓力和供水壓力均在0.3～0.7 MPa間取值。

(1)

式中，Qair為噴嘴氣流量，L/min；pair為供氣壓力，MPa；pL為供水壓力，MPa。

1.3 數值模擬結果與分析

圖3是在不同氣液壓力比α下，噴嘴內外部流場的氣液兩相分布圖。

圖3 不同α下氣液兩相體積分數

由圖3可知，在氣流的沖擊破碎下，液體迅速霧化，液核在很短的距離內就已經消失。其中液核為未受氣流擾動的連續液體核心，流動狀態類似于單相射流的勢核。隨氣液壓力比增大，液核長度明顯縮短，液體一次霧化效果更好。當α=1.6時，噴嘴出口處已經不存在液核，即在噴嘴內部液體已經充分一次霧化，有利于形成粒徑更小的噴霧。

將圖3采用專業圖像處理軟件Image Pro Plus處理，可以得到噴嘴霧化錐角。如圖4所示，隨氣液壓力比增大，氣體擾動作用增強，液體一次霧化更充分，噴嘴出口噴霧擴散角度更大，噴霧覆蓋范圍變廣，霧化效果更好。

圖4 α對噴嘴霧化角的影響

圖5和圖6為不同氣液壓力比下，噴嘴出口截面處的速度分布圖和氣液兩相體積分數分布圖。對照兩圖可知，隨氣液壓力比α的增大，雖然中間液核速度幾乎相同，但液核周圍速度有明顯的增大，即氣液間相對速度增大，氣體擾動作用增強，中間液核的直徑也減小明顯，噴嘴內部液體一次霧化更充分。并且噴嘴出口氣液混合物的速度更大時，下游的噴霧二次破碎作用也會更強，形成更小粒徑的噴霧。

圖5 α對噴嘴出口速度的影響

圖6 α對噴嘴出口氣液體積分數的影響

2 噴霧效果實驗

為了驗證噴嘴內部流動狀況對噴嘴下游霧化效果的影響，通過實驗測量相應氣液壓力比下的噴嘴霧化錐角和霧滴粒徑。霧化錐角采用高速攝像儀進行拍照，并由專業圖像處理軟件Image Pro Plus處理，如圖7所示。在噴嘴下游50 cm處，通過馬爾文激光粒度分析儀測量噴霧的霧滴粒徑。噴嘴霧化錐角和霧滴粒徑實驗結果均記錄在表1中。

圖7 不同氣液壓力比噴嘴霧化錐角實驗結果

氣液壓力比α霧化錐角D50 /μmD[4,3]/μmD[3,2] /μm0.6253443802380.8271641841291.02793103761.2287482521.4306269441.632333823

由表1可知，隨氣液壓力比的增大，噴嘴霧化錐角也相應增大，雖然數值模擬結果比實驗值偏大，但基本變化趨勢一致。同時隨氣液壓力比的增大，噴嘴內部流動狀況越好，實驗測得的霧滴粒徑也越小，噴嘴的霧化效果改善，說明噴嘴內部流動狀況對于下游噴霧發展具有較大影響。

3 結 論

(1) 隨氣液壓力比增大，液核長度明顯縮短，液體一次霧化效果更好，并且噴嘴出口氣液混合物的速度也更大，噴嘴內部流動狀況更好，與實驗測得霧滴粒徑更小結果一致。

(2) 隨氣液壓力比增大，噴嘴霧化錐角也增大，霧滴覆蓋范圍更廣。模擬得到的霧化錐角比實驗值偏大，但基本變化趨勢是一致的。

(3) 研究結果顯示，噴嘴內部流動狀況對于下游噴霧發展具有較大影響。噴嘴內部流動狀況越好，實驗測得的霧滴粒徑也越小，說明噴嘴的霧化效果越好。