基于CFD 的縱向旋流噴嘴參數(shù)優(yōu)化

張澤鵬，潘 越，楊 帆，馬 浩

（河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲056000）

采掘工作面是煤礦井下最主要的產(chǎn)塵場(chǎng)所之一，其防塵和降塵難度都相對(duì)較大，粉塵濃度過(guò)高不僅給職工帶來(lái)塵肺病等身體危害，同時(shí)也嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。目前壓力噴霧是國(guó)內(nèi)外普遍采用的有效濕式降塵方式，噴嘴作為噴霧系統(tǒng)的核心部件，是決定降塵好壞的關(guān)鍵因素[4-6]。近年來(lái)，由于離心式噴嘴使用便捷、霧化面積大等特點(diǎn)被國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤礦推廣使用，但是在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)旋流噴嘴耗水量大、易磨損，霧化效果并不是很好，同時(shí)綜采工作面采煤機(jī)和液壓支架等設(shè)備噴霧系統(tǒng)所用噴嘴數(shù)量較多，更換不便時(shí)延誤生產(chǎn)，會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失[7-9]?；诖耍肍LUENT 軟件對(duì)旋流噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，探究旋流芯不同螺旋角以及收縮段與旋流段長(zhǎng)度比對(duì)噴霧效果的影響。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)及旋流方式

旋流芯是離心式噴嘴重要部件之一，其作用是使水進(jìn)行旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，加劇水流的紊流脈動(dòng)效果，促進(jìn)霧化。目前噴嘴旋流方式分為切向旋流和縱向旋流，切向旋流可以產(chǎn)生較大的切向水流旋轉(zhuǎn)速度，從而獲得較大的霧化角，但水流通過(guò)噴嘴的出口速度和噴射距離相對(duì)較小，霧粒很容易被風(fēng)流吹散，起不到降塵效果[10-11]。采用縱向旋流噴嘴可以獲得較大的水流軸向速度和動(dòng)量，增加霧滴顆粒與粉塵的碰撞幾率，在采煤工作面這樣粉塵濃度較大的場(chǎng)所，更有利于降塵。噴嘴腔體結(jié)構(gòu)如圖1，旋流方式如2 圖。噴嘴腔進(jìn)口到出口依次為旋流段、過(guò)渡段和收縮段，噴嘴出口直徑1 mm，入射角60°，噴口長(zhǎng)0.8 mm，縱向旋流芯流道截面為直徑5 mm 的圓。

圖1 噴嘴腔體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Nozzle cavity structure

圖2 旋流方式Fig. 2 Swirl mode

2 數(shù)學(xué)模型和噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值仿真設(shè)置

1）多相流模型。選擇VOF 方法為多相流計(jì)算模型，此模型是以固定歐拉網(wǎng)格為基礎(chǔ)的表面跟蹤方法，在單個(gè)容積中所有相體積分?jǐn)?shù)總和為1[12-14]。對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的模擬僅涉及到氣、水2 種流體，氣體為主相，液體（水）為次相，選取液相體積分?jǐn)?shù)為1時(shí)，氣相體積分?jǐn)?shù)為0。

2）湍流模型。噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)為高湍狀態(tài)，強(qiáng)旋流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生剪切和邊界層分離等現(xiàn)象，為了更準(zhǔn)確的模擬流動(dòng)狀態(tài)，選擇RNGk-e 模型作為湍流模型。

3）噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)網(wǎng)格劃分。利用SOLIDWORKS軟件建立噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)三維幾何模型，然后導(dǎo)入ICEM CFD 15.0 中劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格模型為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，設(shè)置1 個(gè)進(jìn)口和1 個(gè)出口，其余為壁面。并對(duì)出口等區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化處理。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)最終生成的網(wǎng)格質(zhì)量較高。

4）噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)邊界條件。數(shù)值模擬過(guò)程中邊界條件的定義非常關(guān)鍵，根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)，結(jié)合噴嘴及旋流芯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)邊界條件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，邊界條件設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 邊界條件設(shè)定Table 1 Boundary condition setting

3 噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值仿真結(jié)果

運(yùn)用CFD-Post 15.0 對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行后處理分析，噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)三維流線如圖3，可以看出在旋流芯的作用下，流體產(chǎn)生強(qiáng)旋流動(dòng)，在噴嘴收縮段區(qū)域內(nèi)流體始終保持旋流狀態(tài)，增強(qiáng)了液滴的破碎效果。

圖3 噴嘴內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)流線Fig.3 Fluid flow lines inside the nozzle

3.1 旋流芯螺旋角的影響

分別模擬25°、30°、35°、40°螺旋角的噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)，不同螺旋角噴嘴出口速度隨進(jìn)口壓力變化趨勢(shì)如圖4，不同螺旋角噴嘴出口面湍流動(dòng)能云圖如圖5。

圖4 不同螺旋角噴嘴出口速度隨進(jìn)口壓力變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of outlet velocity of nozzles with different spiral angles and inlet pressures

圖5 不同螺旋角噴嘴出口面湍流動(dòng)能云圖Fig.5 Turbulent energy cloud at the exit surface of nozzles with different helix angles

從圖4 可以看出，同一螺旋角噴嘴出口速度隨進(jìn)口壓力的增大而增大，且螺旋角為40°時(shí)增幅較為明顯，最大速度差約為22 m/s，出口速度較大，噴霧效果好。螺旋角為25°、30°、35°時(shí)，同一進(jìn)口壓力下噴嘴出口速度變化基本不大。

從圖5 可以看出，隨著螺旋角的增大，出口最大湍流動(dòng)能呈先增后減趨勢(shì)，在螺旋角為30°時(shí)達(dá)到最大，其湍流動(dòng)能最大值為1.675 J/kg，且噴嘴出口面高速流體分布較為均勻，噴射效果較好。

3.2 收縮段與旋流段長(zhǎng)度比的影響

分別模擬收縮段與旋流段長(zhǎng)度比值為0.5、1、1.5 的情況，軸心速度及出口水平速度隨收縮段與旋流段比值變化趨勢(shì)如圖6。

圖6 軸心速度及出口水平速度隨收縮段與旋流段比值變化趨勢(shì)Fig.6 The trend of the axis and horizontal center velocity of the outlet with the ratio of the contraction section and the swirl section

從圖6 可以看出: 噴嘴軸心速度均呈整體增長(zhǎng)趨勢(shì)，由于旋流的作用速度逐漸增大，在收縮段至噴嘴出口范圍內(nèi)軸心速度急劇增長(zhǎng)到一定大小后基本趨于平緩;當(dāng)比值為1.5 時(shí)，流體在縮口段階梯波動(dòng)較為明顯，旋流狀態(tài)不是很好，會(huì)出現(xiàn)一定程度的空化現(xiàn)象；當(dāng)比值為1 時(shí)，出口水平中心速度圖較為對(duì)稱，且峰值與軸心速度圖相交，此時(shí)水流出射均勻，噴霧效果較好。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）旋流芯不同螺旋角度對(duì)出口速度影響較大，在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增大螺旋角有利提高噴嘴出口速度和湍流動(dòng)能，且大小與進(jìn)口壓力有關(guān)，實(shí)際運(yùn)用時(shí)建議螺旋角不小于30°，需要獲得較大射程時(shí)螺旋角在40°左右效果較好。

2）噴嘴收縮段與旋流段長(zhǎng)度比對(duì)噴霧效果有一定影響，比值過(guò)大過(guò)小都不利于流體的霧化，一般取兩者比值為1 左右，即收縮段與旋流段長(zhǎng)度相近時(shí)比較好。

3）在進(jìn)口壓力為2 MPa 時(shí)，螺旋角為40°的噴嘴出口速度可達(dá)到70 m/s（相同工況下一般為50～60 m/s），現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)供水壓力相應(yīng)降低，同時(shí)可減少耗水量，降低經(jīng)濟(jì)成本。