基于擬水平正交實驗法的隧道除塵噴嘴設計

曹年歡，王國志，譚元文

(西南交通大學 先進驅(qū)動節(jié)能技術教育部工程研究中心, 四川 成都 610031)

引言

隨著城市化的進行，地鐵成為解決交通擁擠問題的方法之一[1]。但隨之而來的是地鐵隧道內(nèi)部的嚴重污染。隧道內(nèi)部粉塵污染物的主要來源為：輪軌與軌道磨損產(chǎn)生的細小顆粒；經(jīng)通風口進入地鐵隧道內(nèi)部的大氣污染物[2]。這些粉塵污染物會對地鐵的性能與壽命產(chǎn)生影響，嚴重時還可能造成故障，引發(fā)交通事故。所以保持地鐵隧道清潔是地鐵維護的重要工作之一。

目前國內(nèi)外在地鐵隧道除塵方式主要分為人工、濕式和干式3種。人工除污由于工作量大、花費時間長已逐漸被替代。濕式除塵主要是采用高壓水沖洗隧道壁及軌道。對于近距離的軌道，水沖洗具有良好的性價比和清洗效果，但對于遠距離的隧道壁清洗，需要更大的噴嘴才能達到一定的清洗效果。這樣不僅會造成大量水資源的浪費，關鍵是還會對隧道內(nèi)部的電氣設備造成影響，具有安全隱患。干式除塵是采用吹吸結(jié)合的方法，將粉塵吹離壁面的同時將粉塵顆粒吸入集塵倉，避免造成二次污染，但設備昂貴，維護工作量大。

許多學者對于地鐵隧道濕式和干式除塵都做了大量的研究工作。鄭威等[3]對水沖洗的沖洗裝置做了設計，以確保清洗到整個隧道壁面，但對具體的清洗效果沒有研究。周萬陽等[4]分析了水沖洗噴嘴在不同壓力和射流角度下的打擊力，但未對噴嘴結(jié)構(gòu)做出研究。沈怡青[5]對干式吹吸除污做了大量的實驗研究，但都是在近距離的條件下進行的，與實際距離工況相差較大。

針對以上問題，為清除隧道壁面粉塵污垢，提出空氣射流吹掃加霧化的方法除塵。用高速氣流沖擊壁面，使粉塵顆粒在多種作用力下克服粘附力，脫離隧道壁面，此時粉塵處于懸浮狀態(tài)，若任由粉塵自由降落，則會造成二次污染。此時采用霧化降塵的方法，在重力的作用下，顆粒沉降的時間會大大縮短，以此來強制降塵；然后用水沖洗的方式清洗軌道及道床的粉塵污垢。此方法節(jié)約了大量的水資源，設備造價低，便于維護，具有一定的實際意義。

為清除壁面粉塵，對比分析不同結(jié)構(gòu)噴嘴的流場速度特性并用正交實驗優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，使氣流在相同條件下具有更好的性能，從而為粉塵清除提供理論基礎。

1 噴嘴仿真模型的建立及驗證

1.1 噴嘴仿真模型的建立

1) 數(shù)學模型

噴嘴吹掃從理論上講屬于湍流、可壓縮性氣體沖擊射流[6-7]。依據(jù)質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程來確定流體的運動。研究采用Realizablek-ε湍流模型，該模型可以保持雷諾應力與真實湍流一致，可以更精確模擬射流的擴散。引入湍流模型后，時均形式的連續(xù)性方程、時均形式的N-S方程和溫度T的時均輸運方程如下[8]：

(1)

(2)

(3)

2) 網(wǎng)格劃分

依據(jù)標準CJJ 96—2003可知[9]，A型地鐵隧道的設備界限在線路中心線的位置上距離隧道壁最長為900 mm。為有效模擬氣流沖擊壁面的流場，在噴嘴外部銜接一個較大的長方體計算區(qū)域。網(wǎng)格包含結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為254376。

3) 邊界條件及介質(zhì)

噴嘴入口為壓力入口，外部長方體的4個周面及左側(cè)面為出口邊界，壓力為大氣壓，長方體的右側(cè)面為壁面。由于氣體壓縮系數(shù)很大，在高速氣流的研究中需要考慮其壓縮性，一般用理想氣體代替空氣。

1.2 仿真的驗證

依據(jù)孔雙祥噴氣織機輔助噴嘴的研究作為基礎[10]，對其中單圓孔的輔助噴嘴建模并進行數(shù)值模擬，選擇Realizablek-ε湍流模型，邊界條件及介質(zhì)如上述設置。

如圖1所示為噴嘴中心線上距噴嘴出口位移s與速度vz的曲線圖。采用Realizablek-ε模型的數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果保持相同的衰減趨勢； Realizablek-ε模型的模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果相比，先小后大。這一定程度上是由于三維模型與實際噴嘴有一些細微差別，會對模擬結(jié)果造成影響；相比于孔選擇的RNGk-ε湍流模型，Realizablek-ε模型的結(jié)果與實際測量結(jié)果之間的差距更小。通過對比模擬結(jié)果與測量結(jié)果，Realizablek-ε模型的結(jié)果吻合較好，具有可靠性，為后續(xù)研究提供支撐。

圖1 實際測量與數(shù)值模擬結(jié)果對比

2 噴嘴結(jié)構(gòu)的初步確定

為便于結(jié)果分析，建立如圖2所示坐標系。以氣刀軸線與壁面交點為坐標系原點o，沿氣刀出口矩形長邊方向為x軸方向，寬邊方向為y軸方向，垂直于壁面方向為z方向。壁面為邊長為1 m的正方形，壁面與x軸重合的線段為L。在L上取30個相同點，記錄其氣流速度，取其平均值作為壁面的平均速度u，來衡量噴嘴的性能標準。壁面平均速度越大，其清除粉塵的能力越大，反之，則越小。

圖2 坐標系示意圖

對常見的空氣噴嘴，包括圓錐、鴨嘴及氣刀總共8種結(jié)構(gòu)空氣噴嘴進行數(shù)值模擬，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。并保證8種噴嘴的噴嘴長度、寬度、入口直徑以及出口直徑或?qū)挾认嗤τ?種不同結(jié)構(gòu)的氣刀分為兩類：一類是單側(cè)入口，編號為氣刀1-1, 2-1和3-1；另一類是雙側(cè)入口，編號為氣刀1-2, 2-2和3-2。對于氣刀1-1和1-2只是入口的方式不同，其他部分完全相同。氣刀2-1, 2-2及氣刀3-1, 3-2的情況與之類似。

圖3 各空氣噴嘴三維模型圖

圖4所示為8種結(jié)構(gòu)噴嘴在不同入口壓力p下的中心軸線的速度及壁面平均速度。由圖可知，圓錐和鴨嘴噴嘴的噴射距離為700 mm，氣流射程短，無法達到除塵效果。氣刀1和3在不同的入口方式下，外流場沒有發(fā)生明顯變化，其噴射距離最高才為800 mm。氣刀2在不同入口方式下，雙側(cè)入口的氣刀2-2噴射距離大于氣刀2-1，且射程達到壁面，具有一定的除塵能力。圖5為不同壓力下不同噴嘴的壁面平均速度。氣刀2-2的壁面平均速度遠大于其余噴嘴，但其速度較小，需要進一步提高其性能。

圖4 不同噴嘴軸線速度曲線

圖5 不同噴嘴壁面平均速度對比圖

通過分析氣刀2-2的流場，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部流場具有較大的渦流，且外部流場氣流湍流強度較大，導致能量損失較大，噴射距離有限。為減少氣流的能量損失，對氣刀2-2進行改進，圖6為改進后氣刀模型。

1.氣刀入口 2.內(nèi)腔 3.整流槽 4.外腔 5.氣刀出口圖6 改進后噴嘴三維模型

改進后的氣刀相比于改進前增加了整流槽，使氣流在達到噴嘴出口之前更加的均勻，降低湍流強度，減少氣流的能量損失，以提高噴嘴的速度性能。對改進后氣刀進行數(shù)值模擬，其速度云圖如圖7所示。將改進后氣刀的軸線速度和壁面平均速度與氣刀2-2進行對比，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖7 改進噴嘴的速度云圖

圖8 兩種氣刀軸線速度對比圖

圖9 兩種氣刀壁面平均速度對比圖

由圖可知，在不同壓力下，隨著壓力的增加，兩種氣刀中心軸線上的氣流速度都在不斷增大；在距出口200～800 mm時，氣刀2-2的氣流速度均大于改進后的氣刀。在大于800 mm時，改進后氣刀的氣流速度反而超過氣刀2-2；氣刀2-2在軸線上的速度衰減的更快，而改進后的氣刀速度衰減緩慢，以至于在800 mm時超過氣刀2-2；在不同壓力下，改進后的氣刀壁面平均速度均大于氣刀2-2，且隨著壓力的增加，兩者之間的差距在不斷增大，其性能至少增加了3倍。原因在于改進后的氣刀的流場的能量損耗降低，使噴射的距離增加，在一定的距離下，改進后的氣刀到達壁面的氣流具有更高的能量，其速度也更高。

3 改進氣刀的參數(shù)優(yōu)化

雖然改進后氣刀具有更好性能，但是不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)還是會對氣刀的性能產(chǎn)生影響。為進一步提高噴嘴的性能，需要對氣刀進行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。

3.1 單因素實驗

為確定氣刀結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，需要進行單因素實驗，即在其他參數(shù)不變時，保持其中一個結(jié)構(gòu)參數(shù)變化。依據(jù)氣刀結(jié)構(gòu)選取入口直徑a、內(nèi)腔與入口直徑差b、外腔與內(nèi)腔直徑差c、噴嘴長度d、出口寬度e、整流槽寬度f，6個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行單因素實驗。對不同氣刀在不同壓力下的流場進行數(shù)值模擬，得到每個結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣刀性能的影響。如圖10為單因素實驗的結(jié)果曲線。

圖10 六種結(jié)構(gòu)參數(shù)的單因素實驗

由圖可知，在不同壓力下，每個結(jié)構(gòu)參數(shù)的對氣刀性能的影響趨勢相同。入口直徑、內(nèi)腔與入口直徑差、外腔與內(nèi)腔直徑差、 噴嘴長度及出口寬度在所研究范圍內(nèi)壁面平均速度具有一個較佳范圍，即每個參數(shù)的較佳水平，在這個水平內(nèi)氣刀的性能較好。整流槽寬度在大于5 mm時，壁面平均速度在同一大小上波動，對氣刀的性能影響并不明顯，因此在后續(xù)的研究中不考慮整流槽寬度的影響。將分析結(jié)果整理為表1。

表1 因素水平表 mm

3.2 正交實驗

1) 實驗設計

由于有5個因素，每個因素有3或4個水平，若進行全面的組合實驗，則要做768組實驗，實驗次數(shù)較多，所以采用正交實驗的方法設計實驗方案。正交實驗利用正交表安排少次數(shù)實驗，就能找到較好的實驗方案，因此正交實驗被廣泛應用于尋優(yōu)設計[11]。

實驗中，由于因素的自由度之和為15，選用正交表L16(45)，壁面平均速度為驗證指標。因素C為3水平，其他因素為4水平，每個因素水平不同，采用擬水平法對正交實驗方案進行改造。依據(jù)單因素實驗可知，因素C在15 mm時，噴嘴的性能更好，因此把因素C的第3水平重復一次，構(gòu)成4水平。改造后的實驗方案及實驗結(jié)果如表2所示。

表2 實驗方案

2) 數(shù)據(jù)處理

極差分析為直觀分析法，通過計算各因素在不同水平下的極差R，極差越大，就說明因素對實驗結(jié)果的影響就越大。表3為直觀分析表，從表中可以看出，因素A(入口直徑)>因素E(出口寬度)>因素D(噴嘴長度) >因素C(外腔與內(nèi)腔直徑差)>因素B(內(nèi)腔與入口直徑差) ，即影響氣刀性能因素的順序為 A>E>D>C>B。

表3 直觀分析表 mm

實驗的驗證指標為壁面平均速度，指標越大越好，應選擇每個因素中最大的值對應的水平。對于因素A，B，E，第3水平最好，對于因素C，D，第1水平最好。所以相對較優(yōu)方案為A3B3C1D1E3，即入口直徑為15 mm，內(nèi)腔與入口直徑差為10 mm，外腔與內(nèi)腔直徑差為10 mm，噴嘴長度為25 mm，出口寬度為5 mm。此方案并不包含在已經(jīng)做過的16個實驗方案中，體現(xiàn)了正交實驗設計方法的優(yōu)越性。

3) 結(jié)果驗證

對上述的相對較優(yōu)方案進行數(shù)值模擬，得到結(jié)果見表4，從表中數(shù)據(jù)可以看出相對較優(yōu)方案的壁面平均速度為13.418 m/s，相較于改進前氣刀提升了20%。

表4 結(jié)果驗證

4 結(jié)論

(1) 在隧道除塵中，常用的圓錐、鴨嘴及氣刀噴嘴達不到除塵效果或除塵能力低，因此，需要對噴嘴進行改進。改進后的氣刀壁面平均速度相較于改進前至少增加了3倍;

(2) 對改進后的氣刀進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，先用單因素實驗確定因素及水平，再用正交實驗設計的方法進行優(yōu)化。分析正交實驗的數(shù)據(jù)后，得到相對較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。經(jīng)過驗證，具有相對較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)氣刀的壁面平均速度提高了20%。