基于外混式空氣霧化噴嘴霧化粒徑的特性研究

丁彪，袁銳波，李贇釗，馬永達(dá)

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院）

0 引言

近年來，我國工業(yè)飛速發(fā)展，并取得驚人成就。煤礦資源在工業(yè)發(fā)展中扮演著重要的角色，隨著工業(yè)發(fā)展，對煤炭的需求與日俱增，使煤礦開采的范圍不斷加大加深；然而大多大型采礦機器作業(yè)時會產(chǎn)生極高濃度的礦物粉塵，煤礦粉塵有其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，不僅影響現(xiàn)場作業(yè)的效率和一些精密儀器的使用壽命，而且會增大長期工作在煤礦粉塵環(huán)境工人患塵肺病的概率[1-4]。在采礦作業(yè)中煤礦粉塵是影響工作效率和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，因此，降低煤礦粉塵濃度是提高工作效率和改善工人工作環(huán)境的有效措施。

在所有霧化原理中，外混式空氣霧化噴嘴霧化是最具有代表性的形式[5]。因為外混式空氣霧化噴嘴具有結(jié)構(gòu)簡單、更換方便、制造成本低、實用等特點[6-7]，所以外混式空氣霧化噴嘴霧化是最具有代表性的形式[5]。外混式空氣霧化噴嘴霧化原理是，高速氣流通過氣道切向或垂直與噴出的液體射流在噴口外部混合，并利用氣液相互沖擊和摩擦的作用而產(chǎn)生霧化，是目前國內(nèi)外普遍認(rèn)可的一種噴霧除塵技術(shù)[8]。因為霧化粒徑大小和均勻性是決定除塵效果關(guān)鍵因素，所以本文基于外混式空氣霧化噴在不同工況下展開對霧化粒徑特性研究，以達(dá)到最佳的除塵效果。

1 實驗設(shè)備與方案

1.1 實驗設(shè)備

本實驗平臺主要由外混式空氣霧化噴嘴、高速攝像機、計算機、供水設(shè)備、供氣設(shè)備、參數(shù)調(diào)節(jié)裝置、背光光源和透明實驗罩等部分組成，高速攝像機安裝在實驗罩的一側(cè)，背光光源安裝在另一側(cè)與高速攝影機相對稱。實驗平臺如圖1 所示。

圖1 加料噴嘴霧化試驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of atomization test system for feeding nozzle

噴嘴結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，噴射區(qū)出口徑2 mm。

圖2 外混式空氣霧化噴嘴示意圖Fig.2 Schematic diagram of external-mixing type atomizer

1.2 實驗方案

在進行霧化實驗時，由供水設(shè)備和供氣設(shè)備提供不同工況的氣流水流，通過連接管件通入外混式空氣霧化噴嘴中，在氣液二相流相互沖擊作用下在透明實驗罩中產(chǎn)生霧化效果，高速攝像機通過背光光源補光采集霧化的圖像信息，并將圖像信息傳輸至計算機，用專業(yè)的圖像處理軟件對霧化圖像進行處理，從而得到在不同工況下產(chǎn)生的霧化顆粒的直徑大小數(shù)據(jù)。

2 霧化實驗內(nèi)容

2.1 霧化顆粒數(shù)據(jù)采集

根據(jù)外混式空氣霧化噴嘴的使用參數(shù)設(shè)定不同工況進行實驗，實驗參數(shù)見表1。

表1 實驗工況信息Tab.1 Information of experimental condition

本實驗設(shè)定的水流量為20，25，35，40 kg/h，溫度為20，25，30，35 ℃，氣體壓力為0.15，0.2，0.25，0.3 MPa，實驗時，采用表中不同工況下的參數(shù)依次交換進行試驗。首先調(diào)整高速攝像機與背光光源的相對位置，以獲得最佳的采光效果，兩者位置應(yīng)處于同一軸線上。將計算機連接到高速攝像機和各個參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)備，并用計算機控制參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)備得到實驗所需的水溫度、水流量和氣壓等，高速攝像機對霧化過程連續(xù)拍攝，然后將采集的圖像傳輸至計算機，利用VisionPro 軟件對圖像進行處理，得出霧化粒徑的形態(tài)信息，圖像如圖3 所示。

圖3 高速攝像機下霧化粒徑圖Fig.3 Atomized particle size under high-speed camera

2.2 實驗結(jié)果分析

在實際霧化場中，霧化顆粒的大小是不均勻的，所以在分析時采用工業(yè)應(yīng)用中最常見的表面平均直徑（d32），以索特爾平均直徑（SMD）[9]來表征霧化粒徑的尺寸。索特爾平均直徑是當(dāng)假設(shè)的霧化粒徑組的體積表面積比與真實霧化粒徑組的體積表面積比相同時的值，計算公式如下：

式中：Ns——假想霧化顆粒都為平均直徑時的霧化顆粒數(shù)目；Ni——實際直徑時的霧化顆粒數(shù)目。

在液滴組體積相同的情況下，SMD 值的大小可反應(yīng)霧化效果的優(yōu)劣，值越大表示霧化顆粒數(shù)越少，因此霧化顆粒的徑向尺寸越大，霧化效果就越差，反之霧化效果越好。表2—表5 分別是經(jīng)過圖像處理軟件VisionPro 處理計算得到的不同工況下水流量對霧化索特爾平均粒徑（SMD）數(shù)值的影響。

表2 水流量為20 kg/s 的 SMD 值Tab.2 SMD values when water flow is 20 kg/s

表3 水流量為25 kg/s 的 SMD 值Tab.3 SMD values when water flow is 25 kg/s

表4 水流量為30 kg/s 的 SMD 值Tab.4 SMD values when water flow is 30 kg/s

表5 水流量為35 kg/s 的 SMD 值Tab.5 SMD values when water flow is 35 kg/s

將表2—表5 中的數(shù)據(jù)進行處理，橫坐標(biāo)為實驗氣體壓力值，縱坐標(biāo)為SMD 值，分別得到如圖4 所示的曲線圖。從圖4 中可以看出，隨著水流量增加，SMD 值先是有明顯下降，這是由于當(dāng)溫度和壓力一定的情況下，隨著水流量增加霧滴之間產(chǎn)生相互碰撞的幾率越大，由于噴出霧滴帶有一定能量，所以碰撞之后產(chǎn)生更小的霧化顆粒；之后呈增大趨勢，是由于水流量達(dá)到一定程度之后，霧化所需的能量也隨之增大，而霧化系統(tǒng)所提供的能量有限，所以導(dǎo)致SMD 值增大。這說明霧化時，應(yīng)根據(jù)噴嘴參數(shù)選擇適當(dāng)水流量，有利于優(yōu)化霧化效果。

圖4 霧化粒徑分布圖Fig.4 Distribution of atomized particle size

在霧化壓力和水流量一定的情況下，從4 條不同的曲線圖可以看出，SMD 值與水溫值成正比關(guān)系[10]，這是一種物理變化。隨著水溫度增加，導(dǎo)致水的黏度降低，從而減小了水滴的表面張力，使得霧化所需的能量也就越小。此外，水溫度增加還會加快水的蒸發(fā)速度從而減小霧化粒徑，但是由于用于除塵，所以溫度不宜過高。這說明霧化時，增加水溫度有利于優(yōu)化霧化效果。在水溫和水流量一定時，隨著氣壓增大，SMD 值有遞減的趨勢，這是由于氣壓是霧化所需能量來源，氣壓增加霧化能量隨之增加，從而減小霧化粒徑，這說明霧化時增加氣體壓力有利于優(yōu)化霧化效果。從圖中可以得出，當(dāng)水流量為25 kg/h，水溫為35℃，氣壓為0.30 MPa 時，噴嘴的霧化效果最佳，SMD 值為0.135 91 mm。

3 基于CFD 的霧化數(shù)值模擬

本文利用CFD 軟件Fluent 對外混式空氣霧化噴嘴進行霧化仿真，通過建立噴嘴模型，設(shè)置霧化參數(shù)，然后經(jīng)過軟件計算，可以將霧化過程變?yōu)榭梢暬瑥亩梢詫F化的成型做進一步深入的研究分析。

根據(jù)實驗平臺創(chuàng)建一個2 400 mm×1 500 mm×1 500 mm 的透明實驗罩模型對其進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置傳熱機制，粘性模型設(shè)置為k-ε 湍流模型[11]。創(chuàng)建噴嘴模型為氣體輔助霧化（air-blast/air-assisted atomizer）模型，噴嘴直徑設(shè)為2 mm，錐角設(shè)為103 °。重力加速度z 軸設(shè)為-9.8。Fluent 提供兩種霧滴破碎模型，分別是泰勒類比破碎（TAB）模型和波致破碎模型，本文選取泰勒類比破碎模型，拽力參數(shù)設(shè)置為動態(tài)拽力模型，選擇離散相模型DPM（拉格朗日離散粒子多相流）。當(dāng)水流量為25 kg/h，水溫為35 ℃，氣壓為0.30 MPa 時，噴嘴霧化效果最佳，選擇實驗數(shù)據(jù)中的最佳工況進行數(shù)值模擬：水流量為25 kg/h，水溫為35 ℃，氣壓為0.30 MPa，然后進行瞬態(tài)計算，得到如圖5 所示的霧化效果。

圖5 霧化仿真圖Fig.5 Atomization simulation

由圖5 可知，霧化粒徑在0.001 37～0.01 mm之間，噴灑的角度較大，霧化效果較為均勻，與試驗結(jié)果相比誤差在合理范圍內(nèi)，其主要誤差來源為霧化環(huán)境因素的不確定影響。°

4 結(jié)論

通過在不同變工況下對外混式空氣霧化噴嘴進行霧化實驗與仿真研究，可以得出如下結(jié)論：

（1）利用高速攝像機將霧化形成過程變?yōu)榭梢暬贸霾煌r下產(chǎn)生的粒徑大小，并且通過實驗結(jié)果分析得到影響霧化效果的幾個關(guān)鍵因素：水流量、水溫度、氣體壓力；隨著水流量增加，SMD 呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢；隨著水溫和氣體壓力增加，SMD 呈現(xiàn)遞減的趨勢；當(dāng)水流量為25 kg/h，水溫為35 ℃，氣壓為0.30 MPa 時，噴嘴的霧化效果最佳，SMD 值為0.135 91 mm；

（2）通過建立外混式空氣霧化噴嘴模型對其進行數(shù)值模擬，得出仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本相符，說明該模型具有較高的準(zhǔn)確性，對外混式空氣霧化噴嘴的霧化研究具有重要指導(dǎo)意義。