張立祥 胡宗裕 陳岳松

(安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院 安徽淮南 232001)

在煤礦開采時難免會形成大量灰塵，并且相對濃度較大，能見度極低[1][2]，這直接造成了工人工作環(huán)境極其惡劣，對礦工的健康產(chǎn)生了極大的影響，所以這個問題亟需得到改善與處理[3]。目前，煤礦井下主要的降塵措施有噴霧降塵、泡沫除塵以及煤層注水等[4]，其中噴霧降塵具有使用成本低，操作難度小且具有較好的安全性等特點。作為噴霧降塵系統(tǒng)中的核心部件之一的噴嘴，對降塵效率和結(jié)果有著直接相關(guān)的作用，而普通霧化噴嘴耗水量較大而且霧化效果欠佳，不能達到理想的降塵效果。螺旋噴嘴以其霧化效果良好、不易堵塞等優(yōu)點，逐漸被利用于煤礦井下降塵。對霧化機理和流場特性研究對于進一步提高霧化效率尤為重要。

文章通過fluent數(shù)值仿真軟件，采用VOF方法對螺旋霧化噴嘴內(nèi)外流場進行仿真[5-9]，主要研究其流動機理，分析實心錐和空氣柱的成因以及壓力對內(nèi)外噴嘴流場特性的影響。

1 數(shù)學(xué)模擬方法

1.1 物理模型

如圖1所示，高壓水由噴嘴入口進入噴嘴，經(jīng)分流進入旋流槽產(chǎn)生離心力，再經(jīng)旋流室收縮，最終高壓水從噴嘴出口噴向外流場，此時水流帶有強大的旋流效果，并克服水的表面張力，在外流場霧化形成實心錐狀霧化場。

1-水入口2-旋流槽3-噴嘴出口4-旋流室5-外流場圖1 噴嘴流場模型圖

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

在噴嘴內(nèi)外流場流動十分復(fù)雜并且會有很多渦流產(chǎn)生。所以在噴嘴內(nèi)部，水流的流動情況是一種相當(dāng)復(fù)雜的湍流流場。在對這種復(fù)雜流場進行計算時，提高計算精度且得到很好的計算收斂性是很有必要的，因此必須要對流場進行簡化。對于噴嘴流場，為了能夠更直接地描述流場的基本特性，采用不可壓縮的定常流動近似的描述，得到三大連續(xù)性方程：

1.3 連續(xù)性方程

連續(xù)性方程也被叫作質(zhì)量守恒方程。所以無論計算什么樣的流體時，都要符合連續(xù)性方程。質(zhì)量守恒方程用數(shù)學(xué)描述：同一時間內(nèi)單元體中流體增加的質(zhì)量和流入單元體的質(zhì)量相等，即流體微元內(nèi)的質(zhì)量相對的變化率為零。微分方程可以表達為：

(1)

式(1)中：ρ為流體的密度，單位kg/m3；

t為時間流量，單位s；μ為流體微元速度矢量，u、v、w是在x、y、z三個方向上的速度矢量分量。

假如噴嘴內(nèi)部流體是以穩(wěn)定狀態(tài)流動，則內(nèi)部流場的密度不會改變，這時候的連續(xù)性方程就為：

(2)

1.3 能量方程

在流體流動的系統(tǒng)中，流體間通常會發(fā)生熱量的傳遞，這時就會滿足能量守恒定律。其實，能量方程就是熱力學(xué)第一定律，即：

(3)

式(3)展開式為：

(4)

式(4)中：cp是一定壓力下的比熱容，單位J/(kg·K)；T是溫度，單位K；k是流體傳熱系數(shù)；ST是流體的粘性耗散項。

1.4 動量方程

動量守恒定律與連續(xù)性方程和能量方程類似，任何流動形式都滿足。動量方程式以牛頓第二定律為基礎(chǔ)的。根據(jù)牛頓第二定律可知，流體微元上所受的力是保證其流動形式的必要條件。用數(shù)學(xué)公式表示動量方程為：

(5)

(6)

(7)

式中：p—微元流體受到的壓力，單位Pa；

τij—粘性應(yīng)力的分量作；

Fx、Fy、Fz—單位流體受到的體積力F在x、y、z三個方向上的分量。

2 模型的建立和計算分析

2.1 建模與網(wǎng)格劃分

文章依據(jù)噴嘴實際尺寸采取三維建模軟件 Solidworks 建立該噴嘴噴霧系統(tǒng)的三維模型，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。將其導(dǎo)入到fluent2020流體模擬仿真軟件中，對模型采取網(wǎng)格劃分。考慮到噴嘴內(nèi)部流場比較復(fù)雜，文章在采用了多種網(wǎng)格形式和尺寸對比后整體采取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的六面體核心來進行劃分，并且對噴嘴以及靠近噴嘴口區(qū)域細化，進行網(wǎng)格加密，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證，最終網(wǎng)格數(shù)為179萬，如圖2所示。隨后進行三維流場仿真分析，為了保證模擬分析結(jié)論的準確性，當(dāng)進行邊界條件設(shè)置時，假設(shè)水處于常溫常壓下。

圖2 噴嘴及外流場網(wǎng)格劃分圖

2.2 邊界條件設(shè)置

打開流體計算軟件fluent，讀入劃分好的網(wǎng)格，采用vof隱式求解，進行邊界條件設(shè)置，根據(jù)實際情況，從噴嘴入口進入的液態(tài)水壓力是可控的，所以設(shè)置噴嘴入口為壓力入口，噴嘴出口為外界環(huán)境，所以設(shè)置外流場壁面為標準大氣壓下的壓力出口，噴嘴壁面設(shè)置為標準壁面。選擇湍流模型為k-e RNG模型，采用Coupled算法，壓力和動量采用一階迎風(fēng)格式，流動能以及湍流耗散率均選用二階迎風(fēng)格式。

3 結(jié)果分析

將fluent計算結(jié)果導(dǎo)出dat和cas文件，導(dǎo)入后處理軟件CFD-post，進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計比較分析。

3.1 噴嘴內(nèi)外流場分析

從圖3可以看出，液態(tài)水在旋流室高速旋轉(zhuǎn)，引起壓力波動，而從圖5壓力云圖可以明顯看出旋流腔內(nèi)形成負壓，導(dǎo)致外部空氣被吸入旋流腔，形成貫穿旋流室和噴嘴口的空氣柱，且越靠近噴嘴口，空氣柱的直徑也越大，液膜也越薄，如圖4所示。壓力在徑向方向上，由壁面向中心處逐漸遞減，這種壓力梯度提供了水流的離心力，克服表面張力，這個是螺旋噴嘴霧化的基礎(chǔ)。從圖3流線圖和圖4水相分布圖分析，正是由于空氣柱的形成，噴嘴口前端外流場區(qū)域形成渦流，水霧場也在其中發(fā)生擾動，霧化夾角前端內(nèi)扣，為空心錐霧化場變?yōu)閷嵭腻F提供可能。

圖3 噴嘴及外流場中性面跡線圖

圖4 噴嘴及外流場中性面水相體積分數(shù)云圖

圖5 噴嘴及外流場中性面壓力云圖

3.2 壓力對霧化夾角的影響

如圖6所示，選取每個工況5次中性面水相霧化夾角取平均值，減小一次仿真帶來的偶然性，然后進行統(tǒng)計并繪制帶弧線的散點圖，如圖7所示。

圖6 不同背壓下霧化角

圖7 背壓與噴嘴霧化角關(guān)系圖

從圖7可以看出，隨著壓力1MPa增加到5MPa，霧化錐角逐漸增加，但角度增長率越來越小，最終在背壓處于5MPa后，逐漸趨于水平，角度也不再增長。經(jīng)分析，背壓在一定壓力范圍內(nèi)上升時，徑向速度與軸向速度的比值變大，使得霧化夾角也隨之增大，當(dāng)壓力到達5MPa時，由于整體噴嘴結(jié)構(gòu)的局限性，壓力再加大，霧化角最終趨于80°左右。要想進一步加大霧化夾角，提升霧化效果，只能從結(jié)構(gòu)入手，如改變長徑比或者旋流室的螺旋度等。

3.3 壓力對噴嘴流量影響

從圖8和圖9點線圖可以看出，當(dāng)隨著背壓的增大，噴嘴通過噴組的質(zhì)量流量也越來越大，但增長率越來越小。這是因為隨著壓力的增大，噴嘴內(nèi)部形成的空氣柱直徑也越來越大，由于空氣柱原因，占據(jù)了流道，這使得經(jīng)過噴嘴口的液膜變薄，流量趨于穩(wěn)定。

圖8 不同背壓下的噴嘴出口水的體積分布云圖

圖9 背壓與噴嘴流量關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過對實心錐霧化噴嘴及外流場進行建模，通過有限體積法vof捕捉兩相界面，對噴嘴霧化過程進行模擬分析，通過對內(nèi)外流場進行分析，得到噴嘴的流動機理以及壓力對霧化特性的影響。

(1)液態(tài)水在旋流室高速旋轉(zhuǎn)，引起壓力波動，旋流腔內(nèi)形成負壓，導(dǎo)致外部空氣被吸入旋流腔，形成貫穿旋流室和噴嘴口的空氣柱，且越靠近噴嘴口，空氣柱的直徑也越大，液膜也越薄。

(2)空氣柱的形成，噴嘴口前端外流場區(qū)域形成渦流，霧化夾角前端內(nèi)扣，使得霧滴填充霧場，得到實心錐霧場。

(3)隨著背壓從1MPa增加到5MPa，噴嘴的霧化夾角也隨之增大，但增幅越來越小，最終霧化角穩(wěn)定在80°；通過噴嘴的質(zhì)量流量從0.989L/min增至2.971L/min，由于空氣柱占據(jù)流道，質(zhì)量流量增加的也越來越慢，此噴嘴最佳工作壓力在2～4MPa之間，根據(jù)實際情況進行選擇。