白艷中，劉澤勤，王 蕊

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300134)

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)、散料運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，常常伴隨著粉塵的產(chǎn)生，散射的粉塵受到環(huán)境空氣的作用而懸浮或在空氣中自由下落，造成局部甚至大面積的環(huán)境污染。身處粉塵污染環(huán)境不僅對(duì)皮膚健康會(huì)產(chǎn)生很大的危害，而且會(huì)影響人體心血管、呼吸道等的健康。近年來(lái)，世界上許多國(guó)家的工業(yè)機(jī)構(gòu)以及立法界對(duì)粉塵污染高度重視，越來(lái)越多的科研學(xué)者及環(huán)保學(xué)者投入到粉塵污染機(jī)理與控制的研究當(dāng)中。微粒粉塵在環(huán)境空氣中的運(yùn)動(dòng)特性是人工環(huán)境控制研究領(lǐng)域的重要課題之一。

微粒粉塵在自由下落的過(guò)程中，由于受到環(huán)境空氣的摩擦阻力及浮力等因素的影響，微粒流不斷卷吸周?chē)諝獾搅鲌?chǎng)中，流場(chǎng)半徑逐漸增大，流場(chǎng)內(nèi)微粒濃度逐漸減小。同時(shí)，流場(chǎng)中不斷有微粒散射到周?chē)諝庵?，?duì)工作環(huán)境造成污染。通過(guò)對(duì)自由下落過(guò)程中微粒粉塵運(yùn)動(dòng)特性的研究，明確微粒流與環(huán)境空氣的耦合機(jī)理，可以為預(yù)測(cè)和監(jiān)控粉塵污染提供一定的科學(xué)依據(jù)。本文利用專(zhuān)門(mén)搭建的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)黃沙散料在靜止環(huán)境空氣中的自由下落過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出散料在不同參數(shù)條件下的下降速度的變化規(guī)律。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自由下落微粒流是氣固兩相流的一種，區(qū)別于一般氣固兩相流的最大特點(diǎn)是:自由下落微粒流場(chǎng)沒(méi)有特定的流場(chǎng)邊界，流場(chǎng)內(nèi)的固相顆粒與環(huán)境空氣之間存在相互的耦合作用，流場(chǎng)半徑隨著下降高度的增大而增大，流場(chǎng)內(nèi)部的微粒濃度隨之減小。

Henmon教授是最早研究自由下落微粒流中固相顆粒與氣相空氣之間耦合關(guān)系的學(xué)者之一。20世紀(jì)中期，Henmon教授提出了靜止空氣環(huán)境中的單個(gè)顆粒自由下落模型，這種模型忽略除重力之外的其他所有作用力，并且給出了顆粒在自由下落過(guò)程中的卷吸空氣量公式［1］。由于單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象與微粒群的自由下降特性存在較大差異，上述模型適用范圍較窄。Tooker教授在文獻(xiàn)［2，3］中將微粒流的自由下落過(guò)程視為充分發(fā)展的湍流流動(dòng)，對(duì)Hemeon教授提出的單個(gè)顆粒與環(huán)境空氣的卷吸量公式進(jìn)行了改進(jìn)。Cooper、Arnold［4］以及 Cooper et al.［5］的研究表明隨著下降高度的增加，微粒流場(chǎng)核心區(qū)域的截面積減小，邊界層的半徑增大。Plinke等［6］在1995年運(yùn)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)自由下落微粒流場(chǎng)的質(zhì)量流量、下降高度、微粒粒徑以及空氣溫濕度等物理參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試和分析，研究給出了各參數(shù)之間的相互影響及變化規(guī)律。Koichiro Ogata等［7］在2001年使用激光多普勒速度測(cè)試儀對(duì)等直徑的球形玻璃珠的自由下落過(guò)程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在開(kāi)放環(huán)境中，微粒群的下落速度比單一顆粒自由下落的速度要大的多;在物理性質(zhì)不變的情況下，自由下落微粒流的質(zhì)量流量?jī)H與物料出口口徑有關(guān)。Liu等［8～11］對(duì)自由下落微粒流與環(huán)境空氣之間的耦合機(jī)理進(jìn)行了較為深入的研究，其研究表明:自由下落微粒流在下落過(guò)程中，會(huì)和周?chē)h(huán)境空氣產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生卷吸現(xiàn)象，并定義這類(lèi)微粒流動(dòng)為自由下落微粒羽流。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以黃沙為研究對(duì)象，利用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)裝置，研究微粒流在自由下落過(guò)程中，下降速度與初始下落口徑以及微粒粒徑之間的關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)自由下落微粒流的流動(dòng)特點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)的測(cè)試需要，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)搭建了專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置主要由實(shí)驗(yàn)框架、物料筒、進(jìn)料漏斗、出料漏斗、收集器等部件組成。實(shí)驗(yàn)中選用4種不同口徑的出料漏斗，口徑分別為3、4、5、6mm。該實(shí)驗(yàn)裝置的基本框架分為上下兩個(gè)部分，上部分為物料儲(chǔ)存系統(tǒng)，采用經(jīng)典的雙筒漏斗下落結(jié)構(gòu)以及可變徑的光滑漏斗出口，可確保物料穩(wěn)定下落;下部分為收集系統(tǒng)，作用是回收散落物料，以節(jié)約成本并保護(hù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 自由下落微粒羽流實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

本實(shí)驗(yàn)選用5種不同粒徑的黃沙作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用激光粒度儀(Eye－Tech Particle size and shape analyzer)對(duì)實(shí)驗(yàn)顆粒進(jìn)行掃描與檢測(cè)，并且使用其配套軟件Hi－tech進(jìn)行復(fù)雜的動(dòng)態(tài)圖像分析，可以較精確的得到各種球形、非球形及細(xì)長(zhǎng)顆粒的粒形、粒度和濃度。通過(guò)對(duì)所選黃沙的粒徑進(jìn)行分析，可得五種不同黃沙的粒徑分別為 535.19、393.51、332.35、188.38、163.74m。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用高速攝像儀(CamRecord 600)對(duì)每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行跟蹤拍攝，觀測(cè)并記錄微粒流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀況及速度場(chǎng)特性，并使用配套的Insight3G軟件對(duì)所拍攝的圖片進(jìn)行分析處理，得到顆粒的瞬時(shí)下降速度，進(jìn)而分析得出不同下落高度微粒流的瞬時(shí)速度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象的具體特性，為便于研究和操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下假設(shè):黃沙顆粒均為球形、單一尺寸，且密度遠(yuǎn)大于空氣密度;將環(huán)境空氣視為靜止的、不可壓縮的連續(xù)相，即微粒在自由下落的過(guò)程中僅受到重力、浮力及摩擦阻力的影響，忽略其他外界因素對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 不同下落口徑對(duì)微粒下降速度的影響

同一粒徑(393.51μm)的黃沙在初始下落口徑分別為3、4、5、6mm時(shí)，其微粒瞬時(shí)下降速度與下降高度之間的變化關(guān)系如圖2所示。由圖中看出:4種工況下微粒下落速度隨下落高度增大的變化趨勢(shì)基本相同，微粒的瞬時(shí)下落速度隨著下降高度的增加而增大;微粒速度在下落前期增長(zhǎng)較快，于下降高度達(dá)到0.06m后趨于平緩，進(jìn)入該工況的勻速下落段。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)槲⒘Ａ髟谧杂上侣溥^(guò)程中受到環(huán)境空氣摩擦影響，摩擦阻力隨著下降高度的增加而增大，當(dāng)增大到與重力等其他受力相互抵消時(shí)，微粒流即呈現(xiàn)穩(wěn)定下落狀態(tài)，其下降速度達(dá)到穩(wěn)定值。

圖2 不同下落口徑時(shí)，下降速度與下降高度之間變化關(guān)系

從圖2中還可以看出，同一下落高度，初始下落口徑越大，微粒束的瞬時(shí)下降速度越大。這說(shuō)明粒徑相同的同種物料在自由下落過(guò)程中，微粒流瞬時(shí)下降速度的增長(zhǎng)速率隨初始下落口徑的增大而增大。造成這種現(xiàn)象的原因主要是當(dāng)初始下落口徑較大時(shí)，微粒束的核心區(qū)域較寬，自由下落粒子流內(nèi)部粒子較多，微粒流束受到的摩擦阻力相對(duì)較小。因此，下降高度相同時(shí)，初始下落口徑越大，其微粒束的瞬時(shí)下降速度越大。

4.2 粒徑對(duì)微粒下降速度影響

粒徑分別為 535.19、393.51、331.35、188.38、163.74μm的黃沙在下落出口半徑為4mm時(shí)，其自由瞬時(shí)下降速度與下降高度之間的變化關(guān)系如圖3所示。由圖可以看出:五種粒徑的黃沙的速度變化趨勢(shì)基本相同，微粒的瞬時(shí)下降速度隨著下降高度的增加而增大;微粒速度在下落的前期增長(zhǎng)較快，下降高度達(dá)到0.06m后趨于平緩，進(jìn)入該工況的勻速下落段。說(shuō)明微粒的瞬時(shí)下降速度隨著下降高度的增加而增大的現(xiàn)象普遍存在。

圖3 下落口徑相同時(shí)，黃沙下降速度與下降高度變化關(guān)系

由圖3可以看出，當(dāng)自由下落微粒流下降高度相同時(shí)，粒徑越大，微粒束的瞬時(shí)下降速度也越大。這表明微粒在同一初始下落口徑下的自由下落過(guò)程中，微粒流下降速度的增長(zhǎng)速率隨微粒粒徑的增大而增大。造成這種現(xiàn)象的原因主要是在粒徑較大的微粒流場(chǎng)中，流場(chǎng)中空氣所占比例較大，雖然所受摩擦阻力較大，但由于粒子質(zhì)量也隨之增長(zhǎng)，粒子所受合力也大，這就導(dǎo)致其下落速度增長(zhǎng)速率較小粒徑微粒束大，下落高度相同時(shí)，粒徑越大的粒子束其瞬時(shí)下落速度越大。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于各種自由下落微粒流，由于受到摩擦阻力、重力以及浮力等因素的綜合影響，微粒的瞬時(shí)下降速度隨著下降高度的增加而增大;微粒速度在下落的前期增長(zhǎng)較快，在下降高度達(dá)到0.06m后趨于平緩，進(jìn)入該工況的勻速下落段。微粒流的瞬時(shí)下降速度隨著初始下落口徑的增大而增大，隨著微粒粒徑的增大而增大。

［1］HemeonW C L.Plant and Process Ventilation［M］.New York:The Industrial Press，1963.

［2］Tooker G E.Controlling Fugitive Dust Emissions in Material Handling Operations［J］.Bulk Solids Handling，1992，12(2)，227 ～232.

［3］Tooker G E.Establishing Design criteria for Fugitive Dust Collection［J］.Bulk Solids Handling，1985，5(4)，865～869.

［4］Cooper P.Arnold P C.Air Entrainment and Dust Generation from a Falling Stream of Bulk Material［J］.KONA Powder and Particle，1995(13):125～134.

［5］Cooper P，Liu Z Q，Glutz A.Air Entrainment Processes and Dust Control in Bulk Materials Handling Operations.6th International Conference on Bulk Materials Storage，Handling and Transportation［M］.Australia:The University of Wollongong，1998.

［6］Plinke M A E，Leith D，Boundy M G，et al.Dust Generation from Handling Powders in Industry［J］.Am Ind Hyg Assoc，1995(56):251～257.

Koichiro Ogata，Katsuya Funatsu，Yuji Tomita .Experimental investigation of a free falling powder jet and the air entrainment［J］.Powder Technology，2001(115):90～95.

［8］Liu Z Q，Cooper P，Wypych P.Velocity Profile in Air Entrainment During Free－Fall of Particles.7th International Conference on Bulk Materials Storage，Handling and Transportation［J］.The University of Newcastle，Australia，2001(25):816 ～820.

［9］Cooper P，Liu Z Q，Wypych P W.Plumes Driven by Free－Falling Streams of Solid Particles［M］.Adelaide:Adelaide University，2001.

［10］Liu Z Q，Cooper P，Wypych P.Determination Air Entrainment in Free Falling Bulk Materials［M］.Handling and Transportation，2004.