遠程噴霧降塵兩相射流流場研究

姜 華，郭芮伶，朱江濤

（西安科技大學能源學院，陜西 西安710054）

0 引 言

遠程風送式噴霧降塵主要以風送式噴霧技術為核心，在噴霧機作業時從風機產生的高速氣流將霧滴送向目標面［1］。在工作過程中，霧滴不僅具有較高的速度，可以達到較遠的距離，同時也可達到較好的霧化效果。噴霧降塵機理是噴霧機中的水通過噴嘴形成霧滴，含塵氣流在水霧作用下，因顆粒物與霧滴間的撞擊、凝結、沉降作用使得顆粒物隨霧滴沉積下來，達到防塵、除塵的效果［2-3］。目前，遠程風送式噴霧技術廣泛應用于露天礦山開采、抑塵噴霧、凈化環境、農業植保及路橋修建等領域，是保障工作人員身體健康和安全作業環境的關鍵。因此，深入研究遠程噴霧技術、提高遠程噴霧射流的除塵效率，對安全高效的防塵與除塵具有重要的理論意義與實踐價值。

目前，國內外對噴霧除塵技術作了相關研究工作，Schmehl通過試驗分析了液滴對空氣動力學表面壓力分布的小振幅形狀響應，得出水滴與空氣界面存在較大壓力差時，與水滴撞擊的粉塵會因空氣界面的強大反作用力而推開，無法達到降塵效果［4］。此外，相關學者對噴霧機類型［5-6］、噴霧質量［7-8］、噴嘴個數［9-10］、噴嘴尺寸［11-13］、噴嘴入口速度［14-15］、風速和風向參數［16-18］、霧化壓力［19-21］等方面進行了研究，探討了以上參數對遠程風送式噴霧降塵霧粒分布規律及其效率的影響。Sumner開展了遠程風送式裝置噴射化學藥品的霧滴試驗，得出噴霧裝置的作業速度和噴嘴的形式尺寸對霧滴分布和射程有重要影響［22］。湯伯敏等將兩相流噴頭應用于霧化性能和藥物效果的相關試驗，明確了藥液粘性和表面張力大小對霧滴粒徑、噴霧量的影響程度［23］。但目前風送式噴霧機的射程和霧化效果與各相關參數間關系需要進一步深入研究，以適應技術水平發展的需求。

文中基于噴霧降塵霧化理論，采用泰勒比（TAB模型）霧化模型對遠程噴霧降塵兩相射流流場進行了模擬，研究了定水泵功率和定風機功率工況下，不同噴嘴口徑以及不同水流入射角對霧化濃度和射程的影響，為提高霧化除塵效果和優化噴霧射程提供科學依據。

1 幾何模型和計算工況

1. 1 幾何模型

文中針對遠程噴霧降塵兩相射流流場建立物理模型并進行仿真研究，水力模型依據實測實驗設備建立。模型計算域為直徑40 m，長度100 m的圓柱域，風機出風口為進口面中心直徑646 mm的圓面，在與風機出風口圓周相距5 mm的圓周方向均勻布置12個等直徑噴嘴，出水口為噴嘴出口小圓面，遠程噴霧降塵兩相射流流場幾何參數見表1，水力模型如圖1所示。

表1 遠程噴霧降塵兩相射流流場幾何參數Table 1 Geometrical parameters of two-phase jet flow field in remote spray dust removal

圖1 遠程噴霧降塵兩相射流流場的水力模型Fig.1 Hydraulicmodel of two-phase jet flow field in remote spray dust removal

1. 2 計算工況

在水泵壓強為4 MPa，風機出風口風速為40 m/s（軸向吹風）情況下，對噴嘴出水口直徑分別為2，4，6，8和10 mm的5種工況進行模擬，根據模型特性采用四面體的網格，網格總數分別為220萬，216萬，211萬，208萬和203萬。在水泵壓強為4 MPa，風機出風口風速為40 m/s（軸向吹風），噴嘴出水口直徑為2 mm和入射水速度為44 m/s情況下，對噴嘴水流入射角（入射水與入射空氣夾角）為0°，15°，30°，45°，60°和75°的6種不同工況進行模擬，網格總數為220萬，網格模型如圖2所示。

圖2 模型網格Fig.2 Model grid

2 數值模擬

采用ANSYS軟件對遠程風送式噴霧降塵兩相射流流場進行非穩態數值模擬，湍流模型選用標準k-ε湍流模型。

霧化模型采用TAB模型［24］，能準確得出霧粒分布和射程變化規律。TAB模型適用于低韋伯數射流霧化以及低速射流進入標準空氣的情況，是計算液滴破碎的經典方法。通過對液滴振蕩和變形的TAB模型方程進行求解可得到任意時刻液滴的振蕩和變形。

受迫、有阻尼振動的液滴變形無量綱形式控制方程

式中 ρl，ρg分別為分散相和連續相的密度；u為液滴的相對速度；r為未發生變形前的液滴半徑；σ為液滴表面張力；μl為液滴粘度。Cb為0. 5的常數，無量綱常數由實驗測得，Ck=8，Cd=5，CF=1／3.

上式中，當 y＞1時，液滴發生破碎［25］，對于無阻尼液滴，假定相對速度不變，y可由方程（1）解出得

若模擬液滴破碎現象［26］，TAB模型需先確定處于無阻尼振蕩狀態，那么在第n個時間步的振幅為

由方程（3）可知，液滴破碎時，必有

若液滴達不到以上標準，就不會發生破碎。

根據水泵壓強為4 MPa，風機額定功率為13 kW的遠程風送式噴霧機產生的氣流特性，設置出風口和出水口邊界條件均為速度入口，計算域出口為壓力出口。

在定水泵與定風機功率的工況下，通過數據擬合得出推導公式（5），可知入射孔徑面積與入射速度v的3次方成反比。根據公式確定改變幾何模型參數所對應的工況參數。

式中 P為水泵或風機的功率，W；m為空氣或水的質量，kg；v為水或空氣的速度，m/s；ρ為空氣或水的密度，kg/m3；S為入射孔徑面積，m2.

3 結果分析

在計算域中選取XY平面方向的截面，如圖3所示，根據截面的液相分布云圖分析霧粒分布情況，得出不同位置的霧化濃度。

圖3 XY截面（霧粒分布）Fig.3 XY Section（Fog Particle Distribution）

3. 1 霧粒分布規律

3. 1. 1 不同出水口直徑計算結果分析

在風機額定功率為13 kW，水泵壓強為4 MPa，風機出風口風速為40 m/s，水流入射角為0°的情況下，針對噴嘴出水口直徑d分別為2，4，6，8和10 mm 5種工況進行模擬，依據公式（3）計算入射水速度，結果見表2.

表2 5種工況入射水速度計算結果Table 2 Calculation results of incident water velocity in five working conditions

在空氣射流流場的特性研究中，通過對風機出口直徑為464 mm，風機出風口風速為40 m/s的射流流場進行實驗布點測量、以及采用數值方法進行仿真模擬，分別得出了中心線速度衰減曲線如圖4所示。

通過上述5種工況的數值模擬結果，分析霧粒在XY截面（圖3截面）的分布云圖如圖5所示。

圖4 流場中心線速度曲線圖Fig.4 Curve of center line velocity in flow field

結合流場中心速度變化趨勢及霧粒分布云圖可知當d噴嘴口徑=2 mm時，受噴嘴出水口直徑的影響，噴嘴出口霧粒粒徑較小且分布較為均勻，入射水速度大于風機出風口速度，風機出風口速度沒有起到助力作用，而霧粒相互作用使其在截面中心位置集中度較大，霧化效果較為明顯，但射程較小；當d噴嘴口徑=4 mm時，入射水速度大幅度下降，使得霧粒在近噴嘴出口處集中分布于截面中間位置，霧流較為緊密，在噴霧區的中心位置霧化濃度較大，且由于風機出風口速度大于入射水速度，在風機出風口的速度的帶動作用下，加大了霧粒射程和增強了霧化效果，受中心線速度衰減規律的影響，噴霧區整體濃度成梯度變化，霧粒分布范圍較遠，霧化效果顯著；當d噴嘴口徑=6 mm時，由于風機出口速度大于入射水速度，相差大約18.75 m/s，霧粒受出風口速度的影響，在傳輸過程中密度相對較小，主要速度近似于由重力所提供的垂直向下的速度；當 d噴嘴口徑=8 mm與 d噴嘴口徑=10 mm時，由于風機出風口速度遠大于入射水流速度，但由于噴嘴出水口直徑較大，使得霧粒粒徑較大，導致風機出風口速度幾乎不起作用，2種工況霧粒分布出現相似的趨勢，主要受霧粒重力作用影響，成重力拋物線曲線趨勢降落且都落在距噴嘴出水口大約20m處，從霧粒分布離散程度來看，霧粒分散度隨著距噴嘴距離的增大而增大，在風機出風口速度的影響作用下，噴嘴出水口直徑為8 mm要比噴嘴出水口直徑為10 mm的霧粒分布離散度大。

圖5 不同出水口直徑霧粒分布云圖Fig.5 Cloud of fog particle distribution with different outlet diameter

3.1.2 不同水流入射角計算結果分析

在風機額定功率為13 kW，水泵壓強為4 MPa，風機出風口風速為40 m/s，根據實驗數據模型，采用噴嘴出水口直徑為2 mm以及入在射水速度為44 m/s條件下，針對水流入射角為0°，15°，30°，45°，60°和 75°的 6種不同工況進行模擬，在XY截面（圖3截面）上不同水流入射角所對應的液相分布云圖如圖6所示。

根據上述6種工況下的霧粒分布云圖可知，當水流入射角為 0°，15°，30°，45°時，由于受到水流速度在X，Y，Z軸的分速度不同以及其重力的影響，導致其運動速度與運動軌跡差異顯著，其兩股霧流間的間距隨著角度的增大而增大，使得霧化效果不佳，霧化區域面積較小；當水流入射角為60°，75°時，其霧流間的間距也隨之減小；當水流入射角為60°時，其霧粒分散度以及霧化濃度都相對較大，且能達到可觀的霧化距離和較佳霧化效果。

圖6 不同噴水水流入射角液相分布云圖Fig.6 Cloud of liquid phase distribution at differentwater jet incident angles

3.2 射程變化規律

在定水泵功率、定風機功率變噴嘴出水口直徑的工況下，根據噴嘴出水口直徑為2，4，6，8和10 mm所對應的入射水射程繪制射程隨噴嘴出水口直徑變化規律曲線，如圖7所示。由圖可知，當噴嘴出水口直徑為4 mm時，入射水射程最遠，可遠達40 m.

圖7 射程隨噴嘴出水口直徑變化規律Fig.7 Variation of range with nozzle outlet diameter

在定水泵、定風機功率變水流入射角的工況下，根據水流入射角為 0°，15°，30°，45°，60°和 75°所對應的入射水射程繪制射程隨入射角變化規律曲線，如圖8所示。觀察圖中變化趨勢可知，當水流入射角為60°即入射水與入射空氣夾角為60°時，在其兩者相互沖擊作用下，使得入射水與入射空氣在軸線處的合速度達到最大，從而得到最大的射程距離，為30 m.

通過以上分析可知，改變噴嘴出水口直徑、入射水與入射空氣夾角等參數，能改善遠程風送式噴霧機的霧粒分布與射程情況，從而達到較好的效果。

圖8 射程隨入射角變化規律Fig.8 Range variation with incident angle

3. 3 最優工況結果分析

綜合上述模擬結果，在變噴嘴出水口直徑工況下，得出噴嘴出水口直徑為4 mm時，霧化效果最佳，射程最遠。在變水流入射角工況下，得出水流入射角為60°時，達到較好的霧化效果。在這2個最優工況的基礎上，進一步對風機額定功率為13 kW，水泵壓強為4 MPa，風機出風口風速為40 m/s，噴嘴出水口直徑為4 mm，入射水速度為27.8 m/s以及水流入射角為60°的條件下進行模擬分析。如圖9所示，得出霧粒運動速度與運動軌跡差異較小，受到水流速度在X，Y，Z軸的分速度不同以及其重力的影響不大，其兩股霧流間的間距明顯變小，霧粒分散度以及霧化濃度相對較大，且增大了霧化區域面積，得到了較理想霧化效果和射程，最遠的霧粒射程可達41 m.

圖9 霧粒分布云圖Fig.9 Cloud of fog particle distribution

4 結 論

1）根據數值模擬結果，噴嘴出水口直徑和水流入射角對霧化除塵效果及射程具有重要影響，噴嘴出水口直徑和水流入射角在定水泵功率和定風機功率條件下存在最佳值；

2）在當前定水泵功率和定風機功率條件下，改變噴嘴出水口直徑，出水口直徑為4 mm時，其入射水的射程達到最大，且霧粒分散度以及霧粒分布密度也相對較大，可以得到較理想的霧化除塵效果；

3）在當前定水泵功率和定風機功率條件下，改變噴嘴水流入射角，隨著噴嘴水流入射角的增加，入射水射程逐漸增加，霧粒分布分散度也逐漸增加。水流入射夾角α為60°時，射程最大，霧粒分散度以及分布密度也相對較大，霧化除塵效果較佳；

4）整個射流流場受到風機出風口速度和入射水速度差值大小以及噴嘴出風口直徑的影響，存在最佳匹配值，在文中研究中，噴嘴出水口直徑為4 mm，水流入射角為60°時，霧化除塵效果最佳。