張振國，彭 剛，方榮海，張教強

一種人造龍卷風式排風罩實驗研究*

張振國，彭 剛，方榮海，張教強

(湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭市 411201)

針對人造龍卷風式排風罩，采用模型試驗的手段，對人造龍卷風氣流流場的影響因素進行了研究。結(jié)果表明:在臨界送風量的基礎(chǔ)上適度增加送風速度能更有效的控制有害物;人造龍卷風式排風罩的最佳噴射角度為80°;存在一個最佳噴口寬度使新型排風罩效果最佳。

排風罩;旋轉(zhuǎn)射流;有害物控制;人造龍卷風

0 引 言

目前，傳統(tǒng)排風罩主要通過單一吸氣流動控制有害物，但效果并不明顯[1]；由4根送風柱組成的捕塵罩對有害物吸收效率雖有所提升，但由于結(jié)構(gòu)龐大復雜，因此在經(jīng)濟與實用性方面尚有缺陷[2]；另一種吹吸式排風罩，雖然能用較小的排風量達到更好的吸收效果，但射流不穩(wěn)定，導致此流場容易受異物干擾而使流場混亂、有害物逃逸[3]。進而，需要設計出一種耗能更低、控制力更好的新型排風罩。龍卷風的形成機理為改進新型排風罩提供了新的理論和方法[4]。通過在排氣罩吸入口的邊緣處添加環(huán)形空氣供應開口，并且采用環(huán)形出口的特定旋轉(zhuǎn)裝置，引出具有一定轉(zhuǎn)速的環(huán)形氣流，在兩種氣流共同作用下形成一種小型的人造龍卷風[5]。為了研究在人造龍卷風作用下吸氣流動的影響因素，本文通過試驗來分析人造龍卷氣流的流場特性。

1 實驗模型和實驗系統(tǒng)的建立

1.1 排風罩模型設計與制作

為了研究人造龍卷風作用下吸氣流動影響因素和對流場進行分析，設計了一個直徑為=100 mm，注入口的直徑為=200 mm，噴嘴的寬度為=8 mm，并且射流的軸向傾斜度為80°的排風罩模型，見圖1。在帶外夾層的人造龍卷風罩中，氣流沿切線方向被引入排氣罩內(nèi)外層之間的夾層中，氣流經(jīng)過外夾層后從噴口射出旋轉(zhuǎn)氣流。吸管的另一端連接到排氣扇，供氣管的另一端送到風扇。通過設置在通風管道的可控閥調(diào)節(jié)進出流量，并用多參數(shù)通風表測量并計算出風速及風量。

1.2 實驗系統(tǒng)搭建

在20 m×7 m×5 m的通風實驗室里，搭建人造龍卷風式排風罩實驗臺。實驗室內(nèi)流量穩(wěn)定，避免了過程中受外界因素干擾。搭建的實驗系統(tǒng)由人造龍卷風式排風罩、吸風管、送風管、抽風機與送風機，還有可控閥門組成。在實驗中，利用多參數(shù)通風表測量了兩種排風罩的工作流場，用滅蚊片替代污染源，模擬人造龍卷風下有害物的控制效果。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 送風速度影響

圖2 軸線速度衰減圖

通過圖2能分析出，即使在不同工作條件下，送風速度也會影響吹吸比。隨著的增加，軸向吸入速度增加，但是增加趨勢逐漸變小。這表明，基于臨界空氣供應繼續(xù)增加空氣量可以更有效地控制污染物，但有一定范圍。當送風量增大到一定值時，再增加也不會對軸向吸入速度產(chǎn)生影響。況且，如果送風量過大，將增加旋轉(zhuǎn)氣流的出口速度，對于環(huán)形空氣供應端口，需要使用功率更大的風機，這將不可避免地產(chǎn)生更多的能量消耗。因此，送風速度不宜過大，在形成人造龍卷風氣流基礎(chǔ)上適度提高送風速度就能達到理想狀態(tài)。

2.2 噴射角度影響

為了觀察不同送風角度的人造龍卷風式排風罩對有害物控制效果，在相同吹吸風參數(shù)和噴口寬度=8 mm的條件下，分別在送風角度為70°和80°的模型進行試驗，觀察相應模型下污染物的控制效果。試驗結(jié)果如圖4所示。

從圖4(a)可以看出，部分煙氣仍然擴散到空氣中；圖4(b)中=80°的排風罩臨界送風速度比=70°的小，風幕控制范圍也更大。在旋轉(zhuǎn)射流和吸氣流共同作用下形成人造龍卷風，滅蚊片產(chǎn)生污染物基本被控制在風幕中并被帶走。從兩種不同噴射角度的排風罩對有害物的控制效果照片可以看出，=80°為人造龍卷風式排風罩較理想的送風角度。

（a）=0 （b）=0.33

（c）=0.53 （d）=0.71

圖3 不同下有害物控制效果

（a）送風角度=70° （b）送風角度=80°

2.3 噴口寬度影響

為了研究噴口寬度對排風罩控制效果的影響，采用=80°的兩種排風罩模型，分別是=4 mm和=8 mm，試驗結(jié)果如圖5所示。從圖5中能看出，在排風罩相同尺寸和規(guī)格下，噴口寬度為8 mm的排風罩能將有害物有效地控制，并且效果上優(yōu)于噴口寬度為4 mm的排風罩。根據(jù)已知的旋轉(zhuǎn)氣流數(shù)值模擬和實驗觀察結(jié)果，可以得出在實驗中規(guī)格尺寸的模型最佳噴口寬度為8 mm。根據(jù)現(xiàn)有的成果，可以用相似準則，在實際設計中得出適應的最佳噴口寬度。

（a）e=4 mm （b）e=8 mm

3 結(jié) 論

通過對人造龍卷風氣流流場的影響因素進行實驗研究，得出以下主要結(jié)論。

（1）基于臨界空氣供應繼續(xù)增加空氣量可以更有效地控制污染物，但有一定范圍。當送風量增大到一定值時，再增加也不會對軸向吸入速度產(chǎn)生影響。并且，如果送風量過大，將增加旋轉(zhuǎn)氣流的出口速度，對于環(huán)形空氣供應端口，需要使用功率更大的風機，這將不可避免地產(chǎn)生更多的能量 消耗。

（2）在其他參數(shù)一定的情況下，相比70°的排風罩，=80°的人造龍卷風的控制范圍更大，并存在一個噴射角度80°，使排風罩對有害物控制效果最好。

（3）噴口寬度會對人造龍卷風氣流流場產(chǎn)生影響，實驗中規(guī)格尺寸的模型最佳噴口寬度為8 mm。根據(jù)現(xiàn)有成果，可以用相似準則在實際設計中，得出適應的最佳噴口寬度。

[1] 王漢青.通風工程[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2005.

[2] 梁志勇.龍卷風式捕塵罩的實驗與分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保, 1993(3):14-15.

[3] 孫一堅,楊勇健.吹吸式排風罩的二維紊流數(shù)值解及特性分析[J]. 暖通空調(diào),1991(1): 11-15.

[4] 張景松.人造龍卷風形成機理[J].煤炭學報,1996,21(4): 403-406.

[5] 張景松,周世寧.人造龍卷風控制抽吸[J].中國礦業(yè)大學學報, 1996,25(1):1-5.

[6] 楊 洋,王 怡,李艷斌.射流作用下的吸氣流動流場特性[J].西南交通大學學報,2015(2):347-353.

(2019-04-14)

張振國(1998—),男,重慶渝北人,Email:185704 85001@163.com。

SRIP大學生科研創(chuàng)新計劃資助項目(TZ8001).