王發(fā)輝，余明高，裴　蓓

(1．河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作　454003;2．河南理工大學(xué)河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室－省部共建國家重點實驗室培育基地，河南焦作　454003)

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細(xì)水霧在瓦斯輸送管道中的沉降規(guī)律

王發(fā)輝1，2，余明高1，2，裴蓓1，2

(1．河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454003;2．河南理工大學(xué)河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室－省部共建國家重點實驗室培育基地，河南焦作454003)

摘要:為研究不同噴霧壓力、不同氣流速下水霧在管道內(nèi)的沉降特性，搭建了管道噴霧實驗臺，采用粒子圖像速度儀(PIV)對方形管道內(nèi)的水霧運動特性進(jìn)行了測量，分析了噴霧壓力和氣流速度對水霧沉降特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:當(dāng)氣流速度一定，噴霧壓力從0．1 MPa增加到1．3 MPa時，水霧在噴嘴下游管長為1 m管道內(nèi)的沉降量增加了96%，沉降的主要原因是碰壁沉降，而在1 m之后的管段內(nèi)水霧沉降量減少了76%，沉降的主要原因是慣性沉降;當(dāng)噴霧壓力一定，氣流速度從1．1 m/s增加到10．4 m/s時，水霧在管長為1 m管道內(nèi)的沉降量降低了24%，在1 m之后的管道內(nèi)沉降量減少了17%。

關(guān)鍵詞:細(xì)水霧;瓦斯輸送;沉降;PIV

王發(fā)輝，余明高，裴蓓．細(xì)水霧在瓦斯輸送管道中的沉降規(guī)律［J］．煤炭學(xué)報，2016，41(6):1441－1446．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1204

Wang Fahui，Yu Minggao，Pei Bei．Settling law of water mist in gas pipeline［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1441－1446．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1204

目前，中國煤礦大多屬于高瓦斯礦井，近年來，我國煤礦瓦斯抽采量逐年提高，但從瓦斯利用來看，無論地面抽采、還是井下抽采，利用率仍低于46%［1－2］，其主要原因是:在我國現(xiàn)有煤礦瓦斯抽采中，濃度低于30%的瓦斯占70%以上，其中相當(dāng)一部分瓦斯?jié)舛鹊陀?6%［3］，《煤礦安全規(guī)程》第148條規(guī)定:抽采的瓦斯?jié)舛鹊陀?0%時，不得作為燃?xì)庵苯尤紵?。這樣就造成大量瓦斯氣體排放到大氣中，不僅污染環(huán)境，同時大量清潔能源被浪費［4］。然而，當(dāng)其用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電或作其它用途時，瓦斯的利用、輸送必須按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定制定安全技術(shù)措施。因此，研究低濃度瓦斯輸送的安全保障技術(shù)，對促進(jìn)瓦斯抽采利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、提升中國節(jié)能減排的技術(shù)水平和減少煤礦瓦斯災(zāi)害等方面都具有重要的意義。

已有研究表明，在瓦斯輸送管道內(nèi)加入細(xì)水霧的輸送方式對瓦斯抑爆效果顯著［5－7］，余明高等［8］研究指出必須使低濃度瓦斯管道內(nèi)的水霧滿足一定量的要求時，才能有效抑制管道瓦斯爆炸;細(xì)水霧的沉降特性決定了管道內(nèi)水霧的含量，同時，細(xì)水霧在瓦斯管道內(nèi)的運動特性與其沉降規(guī)律密切相關(guān)。國內(nèi)外學(xué)者對氣液兩相中液滴的運動規(guī)律進(jìn)行了研究，Wang等［9］研究了噴嘴和上升氣流逆向布置時的氣液兩相作用，計算了對流條件下液滴的運動距離，并且測量了兩相摻混場的中瞬態(tài)液滴速度場，獲得了液滴尺寸分布的時一空變化規(guī)律、液滴速度與尺寸的關(guān)聯(lián)式等;張海濱等［10－13］研究了橫氣流噴霧管道中液相與氣相的摻混規(guī)律，指出氣液兩相的摻混過程主要受不同尺度的旋渦結(jié)構(gòu)影響，摻混效果受入射角度、噴霧壓力和氣流速度的影響;Phillips等［14］實驗測量了橫氣流中漂流的水霧體積的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)流場中噴嘴下游測量得到的噴霧體積是隨氣流速度的增大呈線性關(guān)系，液滴的沉積由流場結(jié)構(gòu)控制。以上這些研究成果充分說明了在氣液兩相流場中，水霧液滴的運動特性和其在管道內(nèi)的水霧量受氣流速度等參數(shù)的影響，這對于研究細(xì)水霧在瓦斯管道內(nèi)沉降規(guī)律有重要的指導(dǎo)意義，然而以上這些研究中大多只關(guān)注水霧的運動以及液相和氣相之間摻混規(guī)律的研究，并沒有涉及噴霧液滴在氣相場中的沉降特性。對于細(xì)水霧抑制管道低濃度瓦斯爆炸來說，水霧的沉降特性將直接影響管內(nèi)水霧的有效霧通量，從而影響瓦斯輸運的安全性，也是設(shè)計細(xì)水霧瓦斯輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵，因此本文擬對細(xì)水霧在瓦斯輸送管道中沉降特性進(jìn)行研究，分析噴霧壓力和氣流速度等參數(shù)對水霧在管道內(nèi)沉降特性的影響規(guī)律，為添加細(xì)水霧的低濃度瓦斯管道輸送系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的理論基礎(chǔ)和的設(shè)計依據(jù)。

1　實驗系統(tǒng)及方法

1.1實驗裝置

實驗系統(tǒng)如圖1所示，整個實驗裝置包括:供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、PIV測量系統(tǒng)、水霧沉降測量系統(tǒng)及輔助設(shè)備(風(fēng)機(jī)、水泵、水箱、調(diào)節(jié)閥等)等。

圖1　噴霧沉降特性實驗系統(tǒng)Fig.1　Experimental system of spray deposition characteristics

供氣系統(tǒng)主要包括風(fēng)機(jī)和氣路系統(tǒng)兩部分，風(fēng)機(jī)的最大流量為80 m3/min，最大出口壓力為5 000 Pa。風(fēng)機(jī)出口氣流分別流進(jìn)主氣路和旁氣路，主氣流進(jìn)入實驗段與噴霧混合，其流量由安裝在旁氣路上的閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。

供水系統(tǒng)主要由水泵、噴嘴以及針閥等組成。實驗用的水泵采用小流量高壓水泵(最大壓力為1.6 MPa)，噴嘴前端安裝針閥、壓力傳感器和渦街流量計，用于精確控制水的流量與霧化所需壓力。

實驗段由 3段長 1 000 mm，橫截面尺寸250 mm×250 mm的有機(jī)玻璃制成。為了穩(wěn)定進(jìn)入實驗段的氣流，在測量段的入口安裝濾網(wǎng)和蜂窩狀細(xì)管束，使進(jìn)入實驗段氣流中的小漩渦因受到阻尼作用而消失;為了使沉降在管內(nèi)的水能順利流出，將實驗管段傾斜放置，坡度為2%。

為實現(xiàn)兩相流場的橫截面與縱截面的測量，實驗中設(shè)計了2套PIV拍攝方法(圖2)。用激光照亮被測截面(圖中陰影部分)，用CCD相機(jī)拍攝被照亮的截面后獲得液滴的速度場。

圖2　PIV測量截面示意Fig.2　Schematic drawing of the PIV measurement sections

細(xì)水霧沉降測試系統(tǒng)主要包括水霧采樣管、除霧器和電子天平。采樣管將管道出口的水霧引入除霧器中，除霧器將水霧中的液相分離出來，用電子天平來測量除霧器中水(氣流攜帶水霧的質(zhì)量)的質(zhì)量。

1.2實驗方法

細(xì)水霧在測量段的運動規(guī)律實驗:實驗過程中用空氣代替瓦斯氣體，實驗時風(fēng)機(jī)首先工作，氣流在流經(jīng)穩(wěn)流段后形成穩(wěn)定的氣流，氣流速度由便攜式智能風(fēng)速儀測得;然后開啟水泵和針閥，噴嘴形成穩(wěn)定的噴霧，氣流兩相流場在實驗段內(nèi)混合。最后開啟PIV系統(tǒng)的激光，照亮要拍攝的截面，用CCD相機(jī)拍攝被照亮的截面，實現(xiàn)縱、橫截面上水霧液滴流場的拍攝，最終得到液滴的速度場，從而獲得不同截面上的液滴的速度分布。為了減小流場拍攝的隨機(jī)性，對每個截面測量得到的圖片進(jìn)行后處理，每個截面拍攝50張，采用MATLAB圖像處理軟件獲得時均圖像。

細(xì)水霧沉降特性的實驗:首先將實驗管段傾斜放置，傾斜的坡度為2%，然后將接水槽放置于除霧器出水口下方，啟動風(fēng)機(jī)和水泵，開啟氣路和水路閥門，記錄時間為1 h，關(guān)閉風(fēng)機(jī)和水泵。

管內(nèi)水霧沉降量的計算:①根據(jù)噴嘴流量qv與噴霧時間t計算噴嘴噴入管道內(nèi)的水霧質(zhì)量m1;②將除霧器下方水槽(氣流攜帶的水霧)用電子天平稱重，記錄水的質(zhì)量m2，同樣的方法重復(fù)3次，計算結(jié)果取平均值;③ 管道內(nèi)水霧的沉降量mc由式(1) 和(2)計算:

用同樣的測試方法測量L=1～2 m和L=2～3 m時管段內(nèi)水霧的沉降量。

2　實驗結(jié)果及分析

在管道直徑一定的情況下，影響管道內(nèi)細(xì)水霧沉降量的主要因素有:噴霧壓力(p)、氣流速度(ug)。

2.1噴霧壓力的影響

實驗過程中噴嘴選用的是日本霧的池內(nèi)公司生產(chǎn)的KB系列霧化噴嘴，根據(jù)廠家提供的技術(shù)參數(shù)，該噴嘴在較小的噴霧壓力下可以達(dá)到較好的霧化效果，霧化液滴粒徑分布均勻。噴嘴噴霧流量和霧滴粒徑隨噴霧壓力的變化見表1。由表1可以看出，對于該噴嘴，噴霧壓力對霧滴平均直徑的影響很小，因此，在本文研究過程中忽略霧滴直徑對細(xì)水霧沉降特性的影響。

當(dāng)氣流速度為4.2 m/s時，噴霧時間1 h各管段中細(xì)水霧的沉降量隨噴嘴噴霧壓力的變化規(guī)律如圖3所示。

表1　噴嘴性能參數(shù)Table 1　Nozzle performance parameters

圖3　不同壓力時各管段內(nèi)水霧的沉降量Fig.3　Settlements of water mist in each section of the pipe for different pressure

從圖3可以看出，當(dāng)管道中氣流速為4.2 m/s，且保持不變時，水霧在一定距離管道內(nèi)的沉降量隨著噴霧壓力的變化而變化，當(dāng)噴霧壓力從0.1 MPa增加到1.3 MPa時，水霧在L=1 m管段內(nèi)的沉降量由13.2 kg/h增加到25.9 kg/h，增加了96%，在L=1～2 m和L=2～3 m的管道內(nèi)水霧的沉降量分別減少了76%和68%，3個管段的總沉降量由21.6 kg/h增加到27.9 kg/h，增加了29%。數(shù)據(jù)表明:噴霧壓力的增大使得噴嘴下游1 m的初始管段內(nèi)水霧沉降量大幅度增加，而在后面管段內(nèi)水霧沉降量反而減少了，減少的幅度比初始管段增加的幅度要小，這說明噴霧壓力的增大對水霧沉降量的影響主要是在噴嘴下游的初始管段。但從管道總的沉降量來看，較大的噴霧壓力將產(chǎn)生較大的沉降量。

液滴從氣相中沉降的原因主要是霧滴碰壁和慣性沉降兩種。單從碰壁沉降來說，根據(jù)Stanton提出的液滴碰壁模型，將液滴碰壁后分為沉積和飛濺兩種類型。碰壁沉積指的是水霧液滴在和壁面發(fā)生碰撞后在壁面形成液膜并沿壁面流向管道底部，液滴脫離氣相場(沉降)，而飛濺是指液滴碰壁后發(fā)生反彈重新返回氣相場中。判斷液滴沉積和飛濺的條件是韋伯?dāng)?shù)［15］。

其中，ρp，vn，dp和σ分別為液滴的密度、沿壁面的法向速度、直徑和表面張力。Stanton模型指出，當(dāng)We≤5時，液滴碰壁沉積，當(dāng)We＞5時，液滴碰壁反彈。從式(3)可以看出:當(dāng)ρp，dp和σ不變時，液滴碰壁時的We隨其法向速度vn的增大而增大，由圖4可以看出液滴的在最大噴霧壓力1.3 MPa時，到達(dá)壁面的法向速度vn(即圖2中y向速度)為2.9 m/s，由式(3)可以計算出液滴碰壁時的最大We:

圖4　不同噴霧壓力時x=50 mm處y方向的速度分布Fig.4　Velocity profile of y for different pressure with x=50 mm

本文實驗工況下液滴最大碰壁的We＜5，可以認(rèn)為，噴霧顆粒只要有機(jī)會碰壁，都視為在壁面沉積。因此，在不同的實驗工況下，可以認(rèn)為霧滴碰壁的數(shù)量和機(jī)率越大，其發(fā)生碰壁沉降的量也就越大。實驗中用PIV測試系統(tǒng)拍攝了不同噴霧壓力時的霧化錐角(圖5)和噴嘴下游50 mm截面處水霧液滴的法向速度曲線(圖4)。

圖5　不同噴霧壓力下噴嘴的霧化錐角Fig.5　Cone angle of the spray nozzle for different pressure

由圖4，5可以看出，較大的噴霧壓力形成的霧化錐角越大，噴嘴下游同一截面處的水霧霧滴的y向速度越大。在同一截面處，當(dāng)壓力為1.3 MPa時，噴霧液滴y向速度達(dá)到7.1 m/s，而壓力為0.1 MPa時，y向速度只有2.8 m/s，幾乎相差2.5倍，這就造成了較大噴霧壓力時霧滴碰壁的數(shù)量和機(jī)率變大，使霧滴的碰壁沉降量大幅度增加，尤其在噴嘴下游1 m內(nèi)的管道內(nèi)，顆粒碰壁沉降是顆粒沉降的主要原因，所以壓力從0.1 MPa增大到1.3 MPa時顆粒的沉降量增大了96%。對于L=1～2 m，L=2～3 m管段來說，由于霧滴在橫截面上的y向速度很小，顆粒碰壁的機(jī)率很小，其沉降的主要原因是慣性沉降，因此，噴霧壓力的增大將會增大L=1～2 m，L=2～3 m管段內(nèi)顆粒的運動速度，不利于顆粒沉降，這也是隨著壓力的增大，在L=1～2 m，L=2～3 m管段內(nèi)沉降量不增加反而下降的主要原因。

2.2氣流速度的影響

圖6給出了噴霧壓力p=0.7 MPa時，1 h內(nèi)各管段中水霧的沉降量隨氣流速度的變化規(guī)律。

圖6　不同氣流速度時不同長度管段內(nèi)水霧的沉降量Fig.6　Settlements of water mist in each section of the pipe for different air velocity

從圖6可以看出，當(dāng)霧化壓力p=0.7 MPa且保持不變時，水霧在一定距離管道內(nèi)的沉降量隨著氣流速度的變化而變化，當(dāng)氣流速度從1.1 m/s增加到10.4 m/s時，水霧在 L=1 m管段內(nèi)的沉降量由23.2 kg/h減小到17.4 kg/h，減小了24%，在L=1～2 m和L=2～3 m的管段內(nèi)水霧的沉降量分別減少了20%和17%;3個管段的總沉降量由31.2 kg/h減少到23.9 kg/h，減少了23.4%。數(shù)據(jù)表明:氣流速度的增大使得各管段內(nèi)水霧沉降量減少。

氣流速度對管段1中沉降量的影響主要原因:一方面是氣流速度的增大使得水霧霧滴在y向的速度減小，減少了顆粒碰壁的機(jī)率，使沉降量下降;另一方面在霧化錐體下游由于氣相繞流錐體形成沿半徑方向的壓力梯度，從而使氣流速度場沿軸線方向產(chǎn)生了速度梯度，在上部流動區(qū)域繞流形成的壓力比下部區(qū)域要小，因此，上部流體的運動速度比下部要大，這樣交界面處就會產(chǎn)生切向應(yīng)力，切向應(yīng)力誘導(dǎo)漩渦的產(chǎn)生，如圖7所示;不同的氣流速度時，管道內(nèi)氣體繞流霧化錐體形成的上、下區(qū)域交界面處產(chǎn)生的速度梯度不同，交界面處的剪切應(yīng)力也不同。氣流速度越高，繞流水霧錐體后引起的氣相場的漩渦強(qiáng)度越高。根據(jù)氣相速度場計算了流場在不同氣流速度時的漩渦強(qiáng)度，如圖8所示。從圖中可以看出:當(dāng)氣流速度從1.1 m/s增大到10.4 m/s時霧化錐體下游200 mm橫截面處的漩渦強(qiáng)度從12.1 L/s增加到352.3 L/s，漩渦強(qiáng)度的增大使得氣相對液滴的剪切升力增大，較大的剪切升力有利于液滴顆粒在氣相中懸浮，阻礙霧滴的沉降。

圖7　不同氣流速度時x=200 mm處橫截面漩渦分布Fig.7　Vortex distribution of cross section for different air velocity with x=200 mm

水霧在2，3管段中沉降的主要原因是顆粒的慣性沉降，顆粒在氣相中的慣性沉降主要取決于顆粒松弛時間和無量綱沉降速度［16－17］。

松弛時間:

無量綱沉降速度:

其中，τp，C，ρp和μ分別為顆粒松弛時間、庫寧漢滑移修正系數(shù)、液滴密度和氣體黏度。對于微米級顆粒τp只與顆粒直徑有關(guān)，τp越大說明其跟隨氣流運動的能力越強(qiáng)，不容易在管內(nèi)沉降;v+是霧滴顆粒的無量綱沉降速度，其值越大，顆粒越容易沉降，vd為霧滴顆粒的沉降速度，u*為管道摩擦速度，可用式(6)計算，從式(6)可以看出其大小取決于氣相流速ug和范寧系數(shù)f。在管道水力直徑和壁面粗糙度一定時f 與Re成正比，其表達(dá)式為式(7)［18］。

顆粒在2，3管段內(nèi)的沉降主要是慣性沉降，根據(jù)上述理論，隨著氣流速度的增加，一方面氣流對噴霧液滴產(chǎn)生二次破碎，造成液滴直徑減小，使τp減小，水霧顆粒跟隨氣流運動的能力越強(qiáng)，從而造成管段內(nèi)沉降量下降。同時，由于氣流速度的增加，管道氣相湍流強(qiáng)度增大，Re變大，范寧系數(shù) f變大，由式(5)～(7)可以看出，這些因素都將導(dǎo)致顆粒無量綱沉降速度減小，使管道內(nèi)水霧顆粒的沉降量減小。

3　結(jié)　　論

(1)當(dāng)氣流速度一定時，噴霧壓力的增大使得噴嘴下游1 m的初始管段內(nèi)水霧沉降量大幅度增加，而在L=1～2 m和L=2～3 m管段內(nèi)水霧沉降量反而減少，但減少的幅度比初始管段要少。單從實驗管道總的沉降量來看，較大的噴霧壓力將產(chǎn)生較大的沉降量，但對長距離的瓦斯輸送管道而言，并非噴霧壓力越小越好。

(2)當(dāng)噴霧壓力一定時，氣流速度的增加，使得氣體對液滴的剪切升力變大，阻礙顆粒的沉降，同時，較大的氣流速度會造成液滴的二次破碎，使液滴跟隨氣流運動的能力增強(qiáng)，顆粒無量綱沉降速度減小，沉降量下降。因此，為了減少水霧顆粒在管道內(nèi)的沉降量，輸送過程中盡可能提高氣流速度。

(3)水霧在管內(nèi)的沉降規(guī)律將直接影響瓦斯輸送管道內(nèi)水霧的有效霧通量，從而影響水霧的抑爆效果。因此，論文的研究結(jié)果可為研究管內(nèi)水霧沉降對瓦斯抑爆規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

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中圖分類號:X932;TD712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1441－06

收稿日期:2015－08－14修回日期:2015－11－25責(zé)任編輯:畢永華

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(U1361205，50974055);河南省動力工程及工程熱物理重點學(xué)科資助項目

作者簡介:王發(fā)輝(1978—)，男，河南平頂山人，副教授，博士研究生。Tel:0391－3987511，E－mail:fahui@hpu．edu．cn

Settling law of water mist in gas pipeline

WANG Fa-hui1，2，YU Ming-gao1，2，PEI Bei1，2
(1．School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454003，China;2．State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454003，China)

Abstract:This study assembles a pipeline mist spraying experiment rig and measures the motion characteristics of water mist in the square pipeline using Particle Image Velocimeter．It explores the settling law of water mist in the pipeline with various spraying pressure and airflow velocity and analyzes their influences．The results indicate that the settling volume increases by 96%in the 1 meter long downstream pipeline，when the spraying pressure increases from 0.1 MPa to 1.3 MPa at a set airflow velocity，which is mainly caused by impinging．And the settling volume reduces by 76%in the other parts of the pipeline，which is caused by inertance．But when airflow velocity increases from 1.1 m/s to 10.4 m/s with a set spraying pressure，the settling volume reduces by 24%in the 1 meter long pipeline and reduces by 17%in the other parts．The results will provide a reliable theoretical basis for gas explosion suppression and the parameter setting of water mist in the safe transportation of low concentration gas．

Key words:water mist;gas transportation;settlement;PIV