同向風速對內混式空氣霧化噴嘴霧化特性的影響研究

陳清華，宋皓然，崔錦瓊，李先保，吳蘇里江

（1.安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 環境友好材料與職業健康研究院（蕪湖），安徽 蕪湖 241003；3.江西安源通風設備有限公司，江西 萍鄉 337000）

噴霧降塵是目前國內外普遍采用的有效濕式降塵方式[1-2]，而空氣霧化噴嘴作為一種新型霧化噴嘴，相比傳統壓力噴嘴，具有耗水量小、霧化效果好、對水壓要求低及降塵效率高等優勢[3-5]，因此被廣泛應用于礦山采掘作業場所粉塵防治領域。為此，國內外學者進行了大量相關研究，如Han 等[6]利用Fluent 軟件和實驗，研究了供水壓力對內混式噴嘴霧化特性和降塵效率的影響，得到了供水壓力與全塵降塵效率和呼吸性粉塵降塵效率之間的關系；蔣仲安等[7]為提高氣水噴嘴在煤礦井下高濃度粉塵作業場所的噴霧降塵效率，通過實驗研究了氣水噴嘴的霧化特性參數，得出了霧滴平均直徑與氣、水流量的變化規律；吳恩啟等[8]為提高噴嘴霧化效率，提取了不同結構噴嘴的噴霧粒徑和霧化錐角分布，得到了噴嘴氣液夾角與霧化效果之間的關系。除了噴嘴自身結構和水壓、氣壓外，巷道風流場也會對噴霧降塵效果造成一定影響。相關研究表明，隨著巷道內橫向風速的增加，霧滴粒徑表現出增大趨勢[9]，霧滴與粉塵碰撞沉降的概率相應變小，不利于降塵效率的提高[10]。因此研究風流場對內混式空氣霧化噴嘴霧化效果的影響規律十分必要。基于此，通過數值模擬的方法，對不同條件下霧滴質量濃度和液滴粒徑分布進行研究，以掌握同向風速對噴嘴霧化特性的影響規律。

1 數值模擬

1.1 數值仿真模型

選用內混式空氣霧化噴嘴，內混式空氣霧化噴嘴主要由可調式節流桿、氣相入口、液相入口、混合室、噴霧出口5 個部分組成。內混式空氣霧化噴嘴結構示意圖如圖1。

圖1 內混式空氣霧化噴嘴結構示意圖Fig.1 Structure diagrams of internal mixing air atomizing nozzle

工作原理：一定壓力的氣體和水分別從氣相入口和液相入口進入霧化噴嘴，并在水流和高壓氣體混合室混合，后由噴霧出口噴出，經歷1 次破碎和2次破碎后形成許多細小水粒，與含塵氣體接觸后起到降塵效果。

簡化工作面中噴霧過程的物理模型，利用Ansys FluentDPM（discrete phase model）中提供的空氣霧化模型對噴嘴霧化性能進行研究。流場模擬計算域為0.6 m×0.6 m×3 m 的立方體，原點即為霧化噴嘴中心且位于立方體一側（yz 面），噴霧方向為x向，重力垂直向下，同向風方向為x 向，內混式空氣霧化噴嘴仿真模型如圖2。采用結構化網格進行網格劃分，最小尺寸為10 mm，總網格數為111 萬。

圖2 內混式空氣霧化噴嘴仿真模型Fig.2 Simulation model of internal mixing air atomizing nozzle

數值計算湍流模型為標準k-ε 模型，同時選用SSD 破碎模型描述噴霧過程中的霧滴破碎，dynamics drag 模型來描述滴液在運動過程中所受到的曳力。設置噴嘴所在側面為速度入口邊界，空氣速度為0～3 m/s，其相對面為壓力出口。速度與壓力的耦合采用基于同位網格的SIMPLE 算法。

1.2 數值仿真方案

為了掌握同向風速對噴霧霧化效果的影響，分別從同向風對噴嘴霧化效果的影響以及不同入口壓力條件下噴嘴的抗風能力2 個方面進行研究。選用的空氣霧化噴嘴相關參數依據仿真以及試驗綜合所得，噴嘴出口直徑為2 mm，仿真方案對應參數見表1。

表1 仿真方案對應參數Table 1 Simulation scheme parameters

對不同噴嘴入口壓強條件分別添加0～3 m/s 的同向風速并進行仿真分析。然后在距離噴嘴0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m 處統計液滴平均粒徑。由于無法直接通過圖像來判定噴霧的整體效果，因此根據其霧滴粒徑、霧滴濃度來判定噴霧效果。在評價噴嘴霧滴粒徑過程中引入累計分布90%處的直徑D90和索特爾直徑（SMD）D[3,2]。索特爾直徑D[3,2]計算[11]如下：

式中：N 為液滴總數；Di為第i 個液滴的直徑。

2 同向風速影響下的霧化特性

2.1 同向風速對噴霧效果的影響

當供水壓力為0.4 MPa，供氣壓力為0.5 MPa時，空氣霧化噴嘴z=0.3 m 平面上，不同同向風速度條件下霧滴濃度分布如圖3。從圖3 可知，噴嘴入口壓力條件不變時，當同向風速為0 m/s 時，噴霧距離分別為1.8 m，而當同向風速為3 m/s 時，噴霧距離為2.7 m。說明在其他條件相同時，同向風速越大，噴霧的射程越遠。

圖3 不同同向風速度條件下霧滴濃度分布Fig.3 Mass concentration distribution of droplets under different wind speeds in the same direction

當供水壓力為0.4 MPa，供氣壓力為0.5 MPa時，在噴嘴前方0.2～1.0 m 處，同向風速作用下霧滴平均直徑如圖4。

圖4 同向風速作用下霧滴平均直徑Fig.4 Average droplet diameter under the action of the same wind speed

從圖4 可以看出，當噴嘴同向風速增加時，霧滴平均粒徑會隨之減少，并且當同向風速越大時，粒徑減少的程度也越大。如在檢測距離為1.0 m 時，當同向風速為1 m/s 時，平均直徑D[3,2]為33.7 μm，與0 m/s 下的平均直徑D[3,2]相比下降了1.5 μm；而當同向風速為3 m/s 時，平均直徑D[3,2]為29.2 μm，與0 m/s 下的平均直徑D[3,2]相比下降了5.95 μm。對比同種風速條件下檢測距離和粒徑關系可以發現，當檢測距離越遠時，同向風對霧滴特征顆粒和平均粒徑的減少作用更加明顯。如同向風速為0 m/s 和2 m/s情況下，在0.2 m 處時，平均直徑D[3,2]增加0.15 μm，平均直徑基本沒有發生變化；而在1.0 m 處時，平均直徑D[3,2]減少量為3.5 μm，平均直徑發生了較為明顯的減小。

2.2 入口壓力對噴霧效果的影響

入口水壓為0.4 MPa，入口氣壓為0.3 ～0.5 MPa，同向風速為0～3 m/s 作用下，空氣霧化噴嘴前方1.0 m 處，同向風速影響下供氣壓力對霧滴特征直徑影響如圖5。從圖5 可以看出，隨著入口氣壓逐漸增加，同向風對霧滴特征直徑D90的影響逐漸增大。如當入口水壓為0.4 MPa，檢測距離為1.0 m 的情況下，在入口氣壓為0.3 MPa 時，同向風速0 m/s與3 m/s 的霧滴特征直徑差值為7.2 μm，而在入口氣壓為0.5 MPa 時，同向風速0 m/s 與3 m/s 的霧滴特征直徑的差值為16.6 μm。

圖5 同向風速影響下供氣壓力對霧滴特征直徑影響Fig.5 Influence of air supply pressure on characteristic diameter of droplet under the influence of the same wind speed

入口氣壓為0.4 MPa，入口水壓為0.3 ～0.5 MPa，同向風速為0～3 m/s 作用下，空氣霧化噴嘴前方1.0 m 處，同向風速影響下供水壓力對霧滴特征直徑影響如圖6。

圖6 同向風速影響下供水壓力對霧滴特征直徑影響Fig.6 Influence of water supply pressure on characteristic diameter of droplet under the influence of the same wind speed

從圖6 可以得出，隨著水壓增加，同向風對霧滴特征直徑D90的影響逐漸減小。如當入口氣壓為0.4 MPa，檢測距離為1.0 m 的情況下，在入口水壓為0.3 MPa 時，同向風速0 m/s 與3 m/s 的霧滴特征直徑D90的差值為19.0 μm，而在入口水壓為0.5 MPa 時，同向風速0 m/s 與3 m/s 的霧滴特征直徑D90的差值為5.4 μm。并且當風速小于1 m/s 時，同向風對霧滴粒徑造成的影響較為平緩。

3 結 論

1）噴霧射程前0.6 m，氣流對霧滴直徑影響較小，0.6 m 前D[3,2]最大差值為0.8 μm，在噴嘴噴霧射程0.6 m 之后，隨著風速的增加，氣流對霧滴直徑影響越大，且隨著距離的增加該作用更加明顯，0.6 m后D[3,2]最大差值為6.0 μm。

2）當其他條件相同時，在同向氣流的作用下，霧滴顆粒直徑隨風速的增大而減小，有利于降塵效率的提高，噴霧射程隨風速的增大而增大。

3）供水壓力恒定時，隨著氣壓的增加，氣流對霧滴粒徑影響逐漸增大，而供氣壓力固定時，隨著水壓的增加，氣流對霧滴粒徑影響逐漸減小。

4）在除塵現場使用時，將能產生同向氣流的設備與空氣霧化噴嘴結合使用能夠有效的增加噴霧距離和霧化除塵效果。