張 奎，劉榮華，王鵬飛,3，王 健，石佚捷，裴 葉

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201；3.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 湘潭市 411201)

0 前 言

礦山開采過(guò)程中產(chǎn)生大量粉塵，導(dǎo)致井下工作空間粉塵濃度極高，對(duì)安全生產(chǎn)、作業(yè)人員身體健康及周邊環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。噴霧降塵由于具有經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便和實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于礦山井下降塵[2]。氣水噴霧是以水和壓縮空氣作為雙動(dòng)力的一種新型噴霧方式[3]，具有霧化質(zhì)量好[4]、耗水量小、噴嘴不易堵塞[5]等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。內(nèi)混式空氣霧化噴嘴利用氣液兩相的相互作用力使液滴破碎，高速氣流在噴嘴內(nèi)部與低速液體混合，極大地改善了液體的霧化效果[6]。但是由于缺乏足夠的理論指導(dǎo)，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常只憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)工況參數(shù)，不僅浪費(fèi)水資源，也不能達(dá)到應(yīng)有的降塵效果[7]。相關(guān)學(xué)者對(duì)內(nèi)混式空氣霧化噴嘴的研究[3-4,8]，更多的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了供氣壓力、供水壓力等外部參數(shù)對(duì)噴嘴霧化特性的影響。

但是國(guó)外相關(guān)學(xué)者研究表明，噴嘴幾何形狀和內(nèi)部流動(dòng)狀況和對(duì)噴霧的發(fā)展有較大影響[9-11]。在目前噴霧研究領(lǐng)域，通常認(rèn)為實(shí)現(xiàn)液滴霧化最有效的途徑是提高液滴與周圍空氣之間的相對(duì)速度[4]。因此本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，從噴嘴內(nèi)部液體一次霧化及氣液相對(duì)速度方面，對(duì)噴嘴下游霧化效果的影響進(jìn)行分析。

1 噴嘴內(nèi)部模擬研究

1.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

內(nèi)混式空氣霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)見圖1，噴嘴內(nèi)壓縮空氣對(duì)液柱進(jìn)行沖擊破碎，形成帶狀液絲與液膜，此過(guò)程為一次破碎；然后高速氣流裹挾著液絲從噴嘴空氣帽出口噴出，在氣液兩相的相互作用力下，液絲進(jìn)一步破碎成液滴，此過(guò)程為二次破碎[12]。其中噴嘴液體帽進(jìn)氣口直徑為2.0 mm，空氣帽出口直徑為2.0 mm。根據(jù)噴嘴結(jié)構(gòu)，將噴嘴內(nèi)流道聯(lián)合外部噴霧場(chǎng)，采用Gambit軟件建立幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在近壁面區(qū)域增加邊界層網(wǎng)格，如圖2所示。

圖1 內(nèi)混式空氣霧化噴嘴簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)置

噴嘴內(nèi)部模擬的兩相流模型為流體體積函數(shù)模型，設(shè)置空氣為第一相，水為第二相，氣液間的表面張力系數(shù)為0.073 N/m。湍流方程采用RNGk-?

圖2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

兩方程湍流模型，壓力速度耦合方式采用PISO算法。由于氣體沿程損失和局部損失較大，且實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)量噴嘴進(jìn)氣孔入口的實(shí)際壓力，因此采用氣流量換算得到氣體速度，并作為速度入口邊界條件。其中氣流量采用公式(1)[3]計(jì)算，公式由相同噴嘴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。液體壓力損失相對(duì)較小，因此進(jìn)水口采用壓力入口邊界條件。噴霧場(chǎng)出口采用壓力出口邊界條件，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa?？紤]到內(nèi)混式空氣霧化噴嘴的實(shí)際應(yīng)用壓力范圍，供氣壓力和供水壓力均在0.3～0.7 MPa間取值。

(1)

式中，Qair為噴嘴氣流量，L/min；pair為供氣壓力，MPa；pL為供水壓力，MPa。

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖3是在不同氣液壓力比α下，噴嘴內(nèi)外部流場(chǎng)的氣液兩相分布圖。

圖3 不同α下氣液兩相體積分?jǐn)?shù)

由圖3可知，在氣流的沖擊破碎下，液體迅速霧化，液核在很短的距離內(nèi)就已經(jīng)消失。其中液核為未受氣流擾動(dòng)的連續(xù)液體核心，流動(dòng)狀態(tài)類似于單相射流的勢(shì)核。隨氣液壓力比增大，液核長(zhǎng)度明顯縮短，液體一次霧化效果更好。當(dāng)α=1.6時(shí)，噴嘴出口處已經(jīng)不存在液核，即在噴嘴內(nèi)部液體已經(jīng)充分一次霧化，有利于形成粒徑更小的噴霧。

將圖3采用專業(yè)圖像處理軟件Image Pro Plus處理，可以得到噴嘴霧化錐角。如圖4所示，隨氣液壓力比增大，氣體擾動(dòng)作用增強(qiáng)，液體一次霧化更充分，噴嘴出口噴霧擴(kuò)散角度更大，噴霧覆蓋范圍變廣，霧化效果更好。

圖4 α對(duì)噴嘴霧化角的影響

圖5和圖6為不同氣液壓力比下，噴嘴出口截面處的速度分布圖和氣液兩相體積分?jǐn)?shù)分布圖。對(duì)照兩圖可知，隨氣液壓力比α的增大，雖然中間液核速度幾乎相同，但液核周圍速度有明顯的增大，即氣液間相對(duì)速度增大，氣體擾動(dòng)作用增強(qiáng)，中間液核的直徑也減小明顯，噴嘴內(nèi)部液體一次霧化更充分。并且噴嘴出口氣液混合物的速度更大時(shí)，下游的噴霧二次破碎作用也會(huì)更強(qiáng)，形成更小粒徑的噴霧。

圖5 α對(duì)噴嘴出口速度的影響

圖6 α對(duì)噴嘴出口氣液體積分?jǐn)?shù)的影響

2 噴霧效果實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀況對(duì)噴嘴下游霧化效果的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量相應(yīng)氣液壓力比下的噴嘴霧化錐角和霧滴粒徑。霧化錐角采用高速攝像儀進(jìn)行拍照，并由專業(yè)圖像處理軟件Image Pro Plus處理，如圖7所示。在噴嘴下游50 cm處，通過(guò)馬爾文激光粒度分析儀測(cè)量噴霧的霧滴粒徑。噴嘴霧化錐角和霧滴粒徑實(shí)驗(yàn)結(jié)果均記錄在表1中。

圖7 不同氣液壓力比噴嘴霧化錐角實(shí)驗(yàn)結(jié)果

氣液壓力比α霧化錐角D50 /μmD[4,3]/μmD[3,2] /μm0.6253443802380.8271641841291.02793103761.2287482521.4306269441.632333823

由表1可知，隨氣液壓力比的增大，噴嘴霧化錐角也相應(yīng)增大，雖然數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)值偏大，但基本變化趨勢(shì)一致。同時(shí)隨氣液壓力比的增大，噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀況越好，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的霧滴粒徑也越小，噴嘴的霧化效果改善，說(shuō)明噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀況對(duì)于下游噴霧發(fā)展具有較大影響。

3 結(jié) 論

(1) 隨氣液壓力比增大，液核長(zhǎng)度明顯縮短，液體一次霧化效果更好，并且噴嘴出口氣液混合物的速度也更大，噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀況更好，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得霧滴粒徑更小結(jié)果一致。

(2) 隨氣液壓力比增大，噴嘴霧化錐角也增大，霧滴覆蓋范圍更廣。模擬得到的霧化錐角比實(shí)驗(yàn)值偏大，但基本變化趨勢(shì)是一致的。

(3) 研究結(jié)果顯示，噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀況對(duì)于下游噴霧發(fā)展具有較大影響。噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀況越好，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的霧滴粒徑也越小，說(shuō)明噴嘴的霧化效果越好。