風筒內結構對風送式噴霧機效率的影響*

龔曙光 ， 徐 珊 ， 劉黎明 ， 宋青卓 ， 龔京忠 ， 賀運初

（1.湘潭大學機械工程學院，湖南 湘潭 411105；2.湖南九九智能環保股份有限公司，湖南 長沙 410217）

0 引言

粉塵污染是大氣污染的主要污染源之一，主要產生于固體物的粉碎、研磨、攪拌、裝卸以及運輸等環節，粉塵污染已嚴重威脅人們的日常生活和工業生產。近年來，遠程噴霧技術已成為粉塵防治的主要措施之一[1-2]。

遠程噴霧技術的主要設備即噴霧機，就是利用風機產生的高速氣流，將噴嘴噴出的大量霧滴拋射到粉塵產生的區域，使霧滴與粉塵相結合，從而減少粉塵擴散，具有覆蓋范圍廣、成本低、降塵效果好等優點[2]。噴霧機已在建筑工地、露天礦山、城市道路等的揚塵治理中得到了應用。

學者們已針對噴霧機開展了相關的研究，如歐亞明等[3]利用試驗對風送式噴霧機的射程進行了研究，發現風機性能對噴霧機射程影響很大；陳波等[4]基于多目標協同優化，探討了風機結構參數對射程的影響，并得到了影響射程和效率的主次因素關系；宋淑然等[5]利用數值模擬了風筒內導葉數、整流體形狀對風筒內部流動的影響；陳海生等[6]利用試驗和仿真研究了輪轂間隙對風機性能的影響規律；王文才等[7]利用數值模擬了集流器結構參數與局部阻力之間的關系。

盡管對風機及其結構的研究較多，但噴霧機是由風機和噴霧系統耦合而成，風筒內的流體由空氣和霧滴組成，其當量質量要大于空氣，因此單純對風機及其結構的研究結論是否同樣適用于噴霧機還有待于進一步的探討。而對噴霧機的研究以霧滴運動規律為主，盡管也有學者對噴霧機的風筒結構進行了相關研究，但其研究內容與噴霧機的工程應用還有一定的差距。

因此，課題組以某企業生產的風送式噴霧機為例，采用數值仿真方法，探討其風筒結構如集流器、流線罩、徑向間隙、收縮筒等對噴霧機效率的影響，擬為風送式噴霧機的設計及工程應用提供參考。

1 噴霧機結構及其模型

風送式噴霧機的結構如圖1所示，其內部結構主要由集流器、流線罩、整流體、葉輪、電機、導葉和收縮筒等組成。噴嘴布置及其結構參數定義如圖2所示。

圖1 風送式噴霧機的示意圖

圖2 噴嘴布置的示意圖

噴霧機的性能參數如表1所示。為了探討風筒內結構對噴霧機效率的影響，在仿真分析時，將噴霧機定義為內流場，噴霧射程范圍定義為外流場，且外流場的結構如圖3所示。

表1 噴霧機的性能參數

圖3 外流場的范圍參數

在網格劃分中，內流場采用四面體非結構化網格，外流場采用六面體結構化網格，在經過局部網格細化、網格質量與網格無關性檢測后，確定內流場的網格數為128.1萬、外流場的網格數為359.2萬。其中，內、外流場的網格模型如圖4所示。

圖4 噴霧機的網格模型

2 仿真結果分析

通過仿真計算，得到內流場中的流場跡線，如圖5所示。

圖5 內流場的跡線圖

從圖5可以看出，跡線在入口處較為均勻和平穩，當經過葉輪1后，其速度得到大幅提升，且繞風筒旋轉流動，再經過葉輪2后，進入到后導葉，跡線由旋轉流動轉化為軸向流動，這說明后導葉起到了導流作用，但在內流場中也存在有旋渦與回流，如圖6所示，旋渦所引起的能量損失將影響噴霧機的效率。

外流場中的速度分布云圖如圖7所示，出口軸線上氣流速度與距離的關系如圖8所示。

圖7 有霧滴的氣流速度云圖

圖8 外流場的速度分布

從圖7可以看出，霧滴在初始階段隨氣流運動，并且隨著距離的增大，其速度逐漸減少，當距離接近40 m時，由于霧滴自重作用，霧滴開始沉降，從而使得氣流末端的速度分布形態向地面彎曲，同時霧滴在氣流作用下會產生蒸發，使得其末端的氣流也向上擴散。因此，對于含有霧滴的氣流，其分布形態與自由氣體射流形態不相符。

由圖8可知，有霧滴與無霧滴的氣流速度在出口軸線上的分布規律相類似，但氣流速度達到2 m/s時，兩者的距離不相等，即有霧滴的距離為51.5 m，而無霧滴的距離為62.2 m，射程距離縮短了17.2%，這是因為有霧滴氣流的當量質量要大，在風機功率相同的情況下，其消耗的能量要多，從而使得其距離要短。同時，氣流的最大速度不在出口處，這是因為風機出口的速度不均勻，隨著離出口的距離增大，氣流速度混合均勻后才達到最大值，隨后再快速下降，達到一定距離后，氣流速度的衰減梯度才逐漸減小。

3 風筒內結構的影響

3.1 集流器

集流器的使用是為了改善氣流入口通道，課題組選用了圓弧和圓錐集流器，其結構如圖9所示。

圖9 集流器結構

通過仿真分析得到集流器結構及其尺寸與風機效率之間的關系，如圖10所示。

圖10 集流器結構及尺寸與風機效率的關系

由圖10可知，集流器的使用對風機效率影響很大，沒有使用集流器時，風機的效率要減少近10%，而使用圓弧形集流器的風機效率要大于使用圓錐形的。且隨著圓弧半徑的增大或集流器長度的增長，風機效率均有所提升，在達到0.25D時，其提升速度變緩，這意味著集流器不能無限增長，其圓弧半徑也不能無限增大，兩者需與入口直徑相匹配。

3.2 流線罩

在風機入口安裝流線罩可以改善入口流通，對氣流起到加速作用。課題組選用的流線罩結構及其參數如圖11所示。其中，L為流線旋成體的長度。

圖11 流線罩結構

使用不同流線罩后，風機的效率如圖12所示。可以看到，流線罩的使用可以提高風機效率4%~8%，同時對于流線形流線罩來說，隨著L的增大，風機效率逐步提升，每增長0.1L，風機效率提升1.5%。

圖12 流線罩形態及尺寸與風機效率的關系

3.3 整流體和收縮筒

在風機出口需設置一段由整流體和收縮筒組成的出口通道，以利于氣流的均勻和導向，其結構及參數如圖13所示。其中，整流體選取錐形和流線形，整流體的流線形結構與圖11中流線罩剛好構成一個整體，即用于整流體的流線形長度為0.6L。

圖13 整流體與收縮筒的結構

設置整流體與收縮筒的長度相同，而收縮筒的尺寸在風機設計時已確定。不同整流體結構及其尺寸對風機效率的影響，如圖14所示。

圖14 整流體結構及尺寸與風機效率的關系

由圖14可知，與錐形結構相比，流線形整流體的使用可提升風機效率約為1%，同時隨著收縮筒長度的增大，風機效率呈現先增大后減小的趨勢，但其變化的幅度不大。這說明收縮筒的長度不能太長，當收縮筒增長時，其收縮角度會減小，且氣流沿筒表面的氣流損失也會增大。

3.4 間隙

本課題所指的間隙包括葉片頂端與筒內表面之間的徑向間隙和兩相鄰葉片平均半徑邊緣之間的軸向間隙，如圖15所示。

圖15 間隙的定義

取軸向間隙為0.25b~1.5b（b為葉輪葉根處的弦長），其對風機效率的影響如圖16所示。可以看到軸向間隙的大小與流動損失不成正比，在軸向間隙較小時也存在著較大的流動損失，而隨軸向間隙的增大，風機效率也逐漸增大，但當軸向間隙大于0.7b時，風機效率出現直線下降趨勢，這主要是氣流在筒內表面的沿程損失增大所致。取徑向間隙為5 mm~25 mm，通過仿真計算得到的風機效率如圖17所示。可以看到風機效率隨徑向間隙的增大而下降，且徑向間隙每增大1%，則風機效率下降約2%。這意味著在設計過程中，徑向間隙要盡可能地減小，即只要保證葉頂與筒內壁不發生干涉即可。

圖16 軸向間隙的影響

圖17 徑向間隙的影響

4 結論

1）在風機結構及其功率相同的條件下，有霧滴氣流的射程縮短了17.2%，且其末端的形態既向地面彎曲，同時也向上端擴散，這說明霧滴在末端出現了沉降和蒸發。

2）集流器的存在可顯著提高風機的效率，其長度建議控制在0.25D左右，且使用圓弧形集流器的效果更佳。

3）使用流線形流線罩能夠提高風機效率4%~8%，但整流體與收縮筒的結構尺寸變化對改善風機效率不明顯。

4）不同間隙的尺寸會影響到風機的效率，軸向間隙建議為0.7b，而徑向間隙越小越好，即在確保不發生干涉的前提下，盡可能地減小徑向間隙。

5）噴霧機內流場后導葉前緣存在有氣流旋渦，它所引起的能量損失也會降低風機的使用效率，如何消除氣流旋渦將在后期研究中進行探討。