高冠濤，劉志超，溫小萍，方長順，杜振雷

(河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454000)

0 引 言

隨著工農業(yè)發(fā)展，高產高效的大型設備大量投入到生產場所，致使環(huán)境粉塵質量濃度升高明顯[1-2]。例如礦井井下的大型掘進設備，使礦井下粉塵質量濃度越來越高，不僅給生產安全帶來較大威脅，而且對一線生產人員的身體健康也造成直接危害[3-4]。本文所分析的飛輪造霧系統(tǒng)可以用于礦業(yè)采掘和爆破現場，實現降塵的目的。當前，大多數生產場所選用水霧化降塵對粉塵進行治理，因此，水霧化技術的研究具有重要意義。劉波等[5]對負壓吸氣式霧化裝置做了試驗研究，該裝置利用射流液滴的卷吸效果降塵，驗證了負壓吸氣式霧化裝置降塵效果的高效性；余翠蘭等[6]把霧化器和發(fā)生池組合到一起，利用負壓霧化的作用制備氣體，發(fā)現該裝置效果主要取決于負壓的大小，壓強越低，制備效率越高；徐緋等[7]對滑行狀態(tài)下的飛機輪胎濺水問題做了探究，發(fā)現機輪滑跑速度對輪胎濺水角度影響顯著，證實了機輪速度對濺水情況存在影響；劉志超等[8-9]對正壓環(huán)境下的飛輪造霧霧化特性進行了試驗研究，發(fā)現風速和飛輪轉速的改變對霧滴平均直徑都有影響，而風速影響要大于飛輪轉速的影響。

本文主要針對負壓環(huán)境下飛輪造霧系統(tǒng)的影響因素和霧化指標進行試驗研究。利用CFD軟件對流場進行模擬，分析系統(tǒng)負壓區(qū)域的存在，為試驗分析提供方向。圍繞飛輪造霧系統(tǒng)中負壓環(huán)境下飛輪個數和轉速對系統(tǒng)霧化特性的影響，搭建實驗臺，測量霧滴索泰爾平均直徑、霧通量和霧場最大射程，以明確飛輪造霧系統(tǒng)的相關指標，為以后的飛輪造霧系統(tǒng)優(yōu)化設計工作提供一定參考。

1 飛輪造霧系統(tǒng)

搭建的飛輪造霧系統(tǒng)由3大部分組成，如圖1所示。

造霧部分主要由飛輪、電動機、進氣口、空氣壓縮機、水槽、風道和導流板組成。電動機帶動飛輪轉動，可通過調節(jié)電動機頻率控制飛輪轉速，多臺空氣壓縮機同時向系統(tǒng)側面進氣口壓入氣流，導流板將引入氣流集中作用在系統(tǒng)關鍵位置。

供水部分由儲水箱、供水泵和控制閥組成。儲水箱中的水由供水泵供入造霧部分內部，控制閥可控制水流量大小，使水面不至于從水槽溢出。

1-導流板；2-飛輪；3-水槽；4-傳動帶；5-電動機；6-空氣壓縮機；7-進氣口；8-風道；9-儲水箱；10-供水泵；11-控制閥；12-LS-2000分體式激光粒度儀(激光發(fā)射箱)；13-LS-2000分體式激光粒度儀(激光接收箱)；14-計算機

測量部分主要由LS-2000分體式激光粒度儀(激光發(fā)射箱、激光接收箱)、計算機和相關計算處理軟件組成。

在風道壁設置8個進氣口，由多臺空氣壓縮機供氣，在系統(tǒng)內部形成負壓區(qū)域。飛輪固定在轉動軸上，系統(tǒng)側面可以打開用以拆卸飛輪，從而改變飛輪個數。電動機帶動飛輪逆時針轉動，可以提供不同的轉速。飛輪下方設有水槽，用于容納由儲水箱和供水泵供入的水。飛輪下方圓周浸入水槽水面以下，當飛輪高速轉動時由于摩擦力和黏性力的作用，飛輪圓周表面會附有一層水膜，轉動的飛輪將水膜帶離水面，由于離心力的作用水膜會脫離飛輪進入風道，破碎成為液絲或液滴。進入風道的液絲或液滴受到氣流的剪切力作用，形成直徑更小的霧滴，霧滴隨風流輸出系統(tǒng)。

2 輪周上液膜受力分析

如圖2所示，飛輪逆時針旋轉，對隨飛輪旋轉的液膜進行受力分析，其受力情況可簡化為沿飛輪法向的壓力P和沿飛輪切向的黏性力τ，其中壓力P可以分解為水平力Px和水平力Py，而Px可以形成向前方向的噴濺，Py對水體向下擠壓可以形成側面方向的噴濺，黏性力τ使水膜附在飛輪圓周表面，最后形成卷甩噴濺，這也是本系統(tǒng)所利用的重要部分。

圖2 輪周上液膜受力分析圖

3 模型建立與仿真分析

3.1 模型建立與網格劃分

如圖3所示，利用ANSYS ICEM軟件建立飛輪造霧系統(tǒng)三維簡化模型。

圖3 飛輪造霧系統(tǒng)三維模型

本模型根據飛輪造霧系統(tǒng)的主要結構畫出三維簡化模型，主要模擬負壓區(qū)域的形成，模型包括系統(tǒng)進口、導流板、飛輪、水槽、進氣口、風道和系統(tǒng)出口。模型x軸長度為950 mm，y軸長度為350 mm，z軸長度為350 mm。

利用ANSYS ICEM軟件對系統(tǒng)模型進行網格劃分，如圖4所示。由于系統(tǒng)內部結構和邊界條件的復雜性，采用非結構性網格劃分該模型。劃分時，建立4層邊界層網格，以提高計算的準確性。因為進氣口及其周圍是關鍵位置，對其進行網格加密細化。

圖4 模型網格劃分

3.2 參數設置

選擇合適的FLUENT軟件模型。因為本仿真模型是完全湍流流場，且不存在強旋流流動，所以選擇標準к-ε模型就可以滿足仿真要求[10-12]。標準к-ε模型控制方程為

Gκ+Gb-ρε-YM，

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為密度，kg/m3；k為湍流動能，J；ε為湍流動能耗散率；μt為湍流黏性系數；Gk為平均速度梯度引起的湍流動能，J；C1ε,C1ε,Cμ,δE,δε為模型常量，分別為1.44，1.92，0.09，1.0和1.3。

3.3 仿真分析

模型邊界條件設置如表1所示。

表1 邊界條件的設置及定義

經過FLUENT計算和CFD-Post處理后,得到結果如圖5～6所示，圖5為在系統(tǒng)模型XY平面上選取Z=0 mm的切面，顯示經過計算后空氣在該切面上的壓力云圖；圖6為YZ平面上選取X=450 mm、X=700 mm和X=900 mm 3個切面，顯示經過計算后空氣在這3個切面上的壓力云圖。

圖5 中間切面上的壓力云圖

如圖5所示，中間面顯示,風道下游相較于其他區(qū)域形成了負壓區(qū)域，該區(qū)域位于進氣口下游、水槽后方，是飛輪逆時針旋轉將水膜經初次破碎后卷甩進入的重要區(qū)域，在該區(qū)域內破碎后的水膜進行二次破碎。如圖6所示，3個截面壓力分布不相同，由平面1(Plane1)到平面3(Plane3)是負壓區(qū)域發(fā)展形成的過程，平面1只有少部分處于負壓值，平面2已經大部分處于負壓值，平面3則已經全部處于負壓值，與圖5顯示結果相契合。

圖6 3個切面上的空氣壓力圖

這種形成負壓的方法與比較常見的負壓形成方法原理相同，均為負壓引流法，見文獻[5]和[6]。經過數值模擬，在風道下游段可以形成負壓，為試驗提供了進行方向。搭建實驗平臺后，在風道下游段驗證了負壓的存在。

4 試 驗

4.1 試驗設置

在實驗工廠進行試驗，周圍無風，盡量保持在氣流無劇烈流動環(huán)境下進行。溫度為環(huán)境溫度，選擇水源為自來水，飛輪按照均勻間隔排列。設置飛輪轉速分別為600，900，1 200，1 500，1 800 r/min，飛輪個數以1個飛輪開始，逐次遞增到4個飛輪。試驗現場如圖7所示。

圖7 試驗現場圖

利用LS-2000分體式激光粒度儀測量霧滴索泰爾平均直徑(SMD)，SMD是霧場所有霧滴體積之和與所有霧滴表面積之和的比，其公式如式(5)[13]所示。SMD越小表示霧化效果越好。

(5)

式中：DSMD為索泰爾平均直徑；Ni為霧滴顆粒個數；di為霧滴直徑。

4.2 試驗結果與分析

霧滴SMD隨飛輪轉速及個數的變化情況如圖8所示。以1個飛輪工況為例，當轉速600 r/min時，測量的霧滴SMD為195.4 μm；轉速提高到900 r/min時，霧滴SMD減小至186.9 μm；轉速繼續(xù)提高至1 200 r/min時，霧滴SMD達到最小，為88.6 μm；當轉速繼續(xù)提高至1 500 r/min，霧滴SMD明顯增大，達到131.1μm，而轉速達到最大轉速1 800 r/min時，霧滴SMD繼續(xù)增大。這說明，當轉速逐漸提高時，霧滴SMD逐漸減小，霧化效果越來越好，轉速提高至1 200 r/min時，霧滴SMD達到了最小，霧化效果也最好；轉速高于1 200 r/min，霧滴SMD逐漸增大，霧化效果變差。不同飛輪個數情況下，隨著飛輪轉速的提高，霧滴SMD均呈現出先減小后增大的變化趨勢。圖8也顯示出同一飛輪轉速工況下，飛輪個數的變化對霧滴SMD的影響較小。

圖8 飛輪轉速對霧滴SMD的影響

圖9所示為霧通量隨飛輪轉速的變化曲線。以1個飛輪的工況為例，在飛輪轉速600 r/min時，霧通量為6.7 mL·m-2·s-1；轉速900 r/min時，霧通量為8.5 mL·m-2·s-1；轉速1 200 r/min時，霧通量達到9.3 mL·m-2·s-1；轉速增至1 500 r/min時，霧通量為11.4 mL·m-2·s-1；轉速增至1 800 r/min，霧通量達到12.7 mL·m-2·s-1。霧通量隨轉速的增大而增大的趨勢明顯，基本呈現線性增大的變化規(guī)律。這是因為由于飛輪轉速的增大，圓周表面的線速度增大，使單位時間內圓周表面過水面積增大，所以導致單位時間內被帶離水面的水膜量增大，最終表現為霧通量隨轉速的增大而增大。

圖9 霧通量與飛輪轉速的關系

圖10所示為霧通量隨飛輪個數的變化曲線。在相同飛輪轉速條件下，霧通量隨著飛輪個數的增多而增大。這是因為相對于1個飛輪而言，2個飛輪工況時，同種條件下單位時間內被帶離水面的水膜量基本上就是1個飛輪時的2倍，所以變化曲線基本呈現倍級增大的趨勢。

圖10 霧通量與飛輪個數的關系

圖11為飛輪轉速與最大射程的關系曲線。最大射程與飛輪轉速的變化關系不盡相同，但總的變化趨勢是隨飛輪轉速的增大先減小后增大。從圖11中還可以看出，最大射程與飛輪個數變化關系并不明顯。

圖11 射程與飛輪轉速的關系

5 結 論

(1)負壓環(huán)境下，該系統(tǒng)霧滴SMD隨飛輪轉速的變化呈現出先減小后增大的變化關系，在飛輪轉速為1 200 r/min時，霧滴SMD達到最小，為88.6 μm，這種變化與實驗系統(tǒng)結構有關系；霧滴SMD與飛輪個數變化關系不明顯。

(2)霧通量與飛輪轉速及飛輪個數變化關系明顯，霧通量隨著飛輪轉速增大而增大，隨著飛輪個數增多而增大，且飛輪個數影響更明顯。

(3)最大射程隨飛輪轉速的增大呈現出先減小后增大的變化趨勢，最大射程與飛輪個數變化關系不明顯。