通風(fēng)輸送過程高濃度粉塵沉積特性

李小川，陳明軍，劉 頎，王啟立，羅會(huì)清，柴偉豪

?

通風(fēng)輸送過程高濃度粉塵沉積特性

李小川1，陳明軍2，劉 頎3，王啟立1，羅會(huì)清1，柴偉豪1

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，徐州221008；2. 山西天地煤機(jī)裝備有限公司，太原030006；3. 中國礦業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，徐州221008)

粉塵沉積是通風(fēng)輸送過程的常見現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)常堵塞管路，本文以實(shí)驗(yàn)研究為手段，探討高濃度粉塵在通風(fēng)輸送過程的沉積特性。得出水平直管內(nèi)粉塵的沉積受風(fēng)速主導(dǎo)，較大風(fēng)速湍流強(qiáng)度大，邊界層厚度薄，有利于外流區(qū)粉塵的懸浮和邊界層內(nèi)粉塵的再次懸?。凰?0°彎管內(nèi)粉塵沉積具有區(qū)域性，彎頭上游以有序沉積為主，彎頭下游由于氣流邊界層分離產(chǎn)生了漩渦區(qū)使沉積量急劇減少，彎頭外側(cè)由于流動(dòng)偏移對壁面的沖刷使粉塵沉積幾率降低，而彎管內(nèi)側(cè)由于邊界層分離和部分粉塵隨氣流的偏移使沉積量最?。凰饺ü軆?nèi)粉塵沉積主要受支管角度與流速影響。通風(fēng)輸送高濃度粉塵的合適取值為：水平直管和90°彎管風(fēng)速應(yīng)不低于17 m/s，水平三通角度30°~45°，支管風(fēng)速不超過主管。

通風(fēng)輸送；粉塵沉積；水平直管；90°彎管；三通管

礦業(yè)、冶金過程常產(chǎn)生大量粉塵，工業(yè)上常將多個(gè)塵源的粉塵通過通風(fēng)輸送管道送入除塵器內(nèi)集中凈化。通風(fēng)輸送的粉塵量介于稀相氣力輸送和空調(diào)通風(fēng)之間，氣力輸送的輸送壓力較高，不容易發(fā)生堵塞，而通風(fēng)輸送故障頻發(fā)，一直困擾著工程技術(shù)人員，現(xiàn)有文獻(xiàn)可供參考的資料也較少。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對空調(diào)通風(fēng)管路顆粒物沉降有較多研究。WOOD[1]根據(jù)顆粒松弛時(shí)間，將粉塵在管內(nèi)充分發(fā)展湍流中的運(yùn)動(dòng)分為擴(kuò)散段、擴(kuò)散?撞擊段、擴(kuò)散適中段，F(xiàn)RIEDLANDER[2]研究了擴(kuò)散?撞擊段的顆粒沉降規(guī)律，發(fā)現(xiàn)顆粒隨氣流速度減小，粒度增加，沉降量增加。LIU等[3]研究了玻璃管中粒子的沉降規(guī)律，并將粒子沉降過程分為湍流擴(kuò)散區(qū)、擴(kuò)散擠壓區(qū)、慣性修正區(qū)。QIAN[4]等模擬計(jì)算了粒度范圍0.01～100 μm的軸對稱湍流管道內(nèi)的塵粒沉降，認(rèn)為塵粒沉積速率符合“V”形曲線，隨顆粒粒度增加，湍流擴(kuò)散力和慣性力起支配作用，沉降速率增大；隨亞微米級顆粒粒度減小，在近壁處主要受布朗擴(kuò)散力作用而沉降。AIVIN[5?7]的實(shí)驗(yàn)證明了顆粒在管內(nèi)隆起處(例如接口)必然會(huì)沉積。歐陽鴻武[8]等研究了瓶頸中顆粒流動(dòng)的堵塞行為。HE[9]認(rèn)為只有顆粒進(jìn)入邊界層的黏性底層時(shí)，布朗擴(kuò)散才是顆粒沉積的主要作用機(jī)理，熱泳力對幾微米及以下粉塵的傳輸、沉積有重要影響。劉洪濤[10]模擬了微細(xì)粉塵在方直管、彎管中的沉積速度，得到了粉塵粒度越大沉積速度越大的結(jié)論。任毅等[11]通過數(shù)值計(jì)算方法對不同結(jié)構(gòu)彎管內(nèi)1~10 μm的氣溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示彎管的彎曲程度越大粉塵沉降率越大，小顆粒粉塵主要受湍流擴(kuò)散的影響，大顆粒粉塵主要受慣性作用的影響。朱青松[12]研究了粒度＜11.46 μm的滑石粉在直管、彎管、風(fēng)閥和漸縮管等的沉積規(guī)律，研究的風(fēng)速范圍為2.5~8.8 m/s，結(jié)果顯示粒子沉降速度的差別隨風(fēng)速增加越來越大。胡大山[13]用數(shù)值計(jì)算方法研究了粒度為100 μm的鋼鐵粉沉降規(guī)律，認(rèn)為在湍流的充分發(fā)展階段，鋼鐵粉的沉降穩(wěn)定，量質(zhì)較小；在湍流發(fā)展過程中，鋼鐵粉速度變化不均勻，沉降率變化較大。

本文著眼于高濃度粉塵的通風(fēng)輸送沉積現(xiàn)象，通過對沉積影響因素的分析和通風(fēng)輸送過程不同條件粉塵沉積現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究，探討高濃度粉塵在通風(fēng)輸送過程的沉積特性，為通風(fēng)輸送參數(shù)設(shè)計(jì)、降低堵塞故障等提供參考。

1 通風(fēng)輸送過程粉塵沉積影響因素分析

粉塵在水平氣流中運(yùn)動(dòng)始終受自身重力作用，當(dāng)重力在運(yùn)動(dòng)過程中起主導(dǎo)作用時(shí)，粉塵極易在輸送管道內(nèi)沉積。當(dāng)粉塵受到局部作用力而克服重力時(shí)，可使粉塵產(chǎn)生二次懸浮，降低沉積幾率，如湍流脈動(dòng)、壓差作用力和Magnus作用力等。

1.1 湍流脈動(dòng)

輸送管道內(nèi)氣流一般處于湍流狀態(tài)，在管道的大部分區(qū)域都可忽略氣體的黏性，將其作為理想流體處理，而在靠近管壁的一層流體由于黏性作用極為重要，不可忽略，為便于分析，將以上兩個(gè)流動(dòng)區(qū)域分為外流區(qū)和邊界層。對輸送管流而言，外流區(qū)一般為湍流狀態(tài)，稱為湍流核心區(qū)，其氣流速度由時(shí)均速度和脈動(dòng)速度組成，其中時(shí)均速度保持穩(wěn)定，脈動(dòng)速度隨時(shí)間變化而隨機(jī)變化。當(dāng)脈動(dòng)速度的垂直分量能夠克服粉塵向下的沉降速度時(shí)，粉塵即產(chǎn)生懸浮，這里，氣流的湍流脈動(dòng)可用湍流強(qiáng)度表示：

式中：為湍流強(qiáng)度，m/s；′為湍流脈動(dòng)速度，m/s?？梢钥闯?，脈動(dòng)速度越大，脈動(dòng)強(qiáng)度越大，粉塵越難沉積。

1.2 Saffman升力

在邊界層，流體黏性作用較強(qiáng)，從壁面到邊界層邊緣有較大的速度梯度，當(dāng)粉塵靠近壁面后，其上下表面氣流存在一定速度差，產(chǎn)生垂直向上的Saffman升力。Saffman得出了低雷諾數(shù)情況下(<1)的升力公式：

式中：為空氣運(yùn)動(dòng)黏度，Pa·s；g為粉塵顆粒密度，kg/m3；p為粉塵粒度，m；g和p分別為氣流和顆粒運(yùn)動(dòng)黏度，其中，g為無窮遠(yuǎn)處氣流速度；為垂直方向微分量。在較高雷諾數(shù)時(shí)，Saffman升力還沒有相應(yīng)的公式，但從式(2)可以看出Saffman升力和速度梯度有較大關(guān)聯(lián)[14]。

1.3 邊界層厚度

邊界層是人們?yōu)檠芯糠奖愣藶榧s定的，一般指速度從0增加到0.99倍主流速度的流體層。根據(jù)流體雷諾數(shù)大小又可將邊界層分為層流邊界層、湍流邊界層和過液區(qū)，邊界層厚度隨湍流強(qiáng)度增加而變薄，并與管流邊壁粗糙度和管徑等有關(guān)，葛爾辛科式給出了邊界層的厚度[15]：

式中：為管道直徑，m；為摩擦阻力系數(shù)，當(dāng)>105時(shí)=0.111(Δ/)0.25，為雷諾數(shù)，=gg/?？梢?，當(dāng)流速增大和管道粗糙度降低，邊界層厚度將減小，速度梯度增大，從而引起粉塵懸浮作用力增加，沉積幾率隨之降低。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由輸送管、風(fēng)機(jī)、粉塵發(fā)生器、布袋除塵器、變頻器和風(fēng)速儀等組成，原理圖如圖1所示。輸送管由PVC風(fēng)管組成，分別為直管、90°彎管和三通管，主管直徑為160 mm，三通支管直徑90 mm，其中，三通支管與主管夾角分別為90°、60°、45°和30°，為方便取樣，輸送管由每段1.5m的短管連接，斷面打磨光潔，良好密封；風(fēng)機(jī)提供抽風(fēng)氣流，變頻器調(diào)節(jié)抽風(fēng)量；自制粉塵發(fā)生器，通過螺旋給料機(jī)構(gòu)均勻給料，給料量通過控制螺旋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；熱線風(fēng)速儀測量管內(nèi)流速；Microtrac S3500激光粒度分析儀測量粉塵粒度。

Where “AVMH” is the airflow velocity measuring hole

2.2 采樣

實(shí)驗(yàn)粉塵為鋼鐵廠燒結(jié)粉塵，密度4.02 g/cm3，粒度分布及外觀形貌如圖2所示。由圖知，粉塵50徑和97徑分別為44.68和137.69 μm，粉塵顆粒形狀零亂，無規(guī)則。工業(yè)現(xiàn)場粉塵濃度較高，取樣粉塵濃度約為9.8~19.6 g/m3。

圖2 實(shí)驗(yàn)粉塵粒度分布及外觀形貌

目前粉塵沉積量主要有3種取樣法，即采樣盒取樣、鋁箔紙貼于管壁取樣和酒精清洗管壁取樣。其中采樣盒對邊壁氣流流動(dòng)有較大的影響，適用于大型場所；鋁箔紙貼于管壁取樣是通過鋁箔紙取樣前后的質(zhì)量差得到沉積量，該方法的錫箔紙厚度、粗糙度和粘接材料的厚度都對邊壁氣流有較大影響，在小空間取樣中對采樣結(jié)果有較大影響。酒精清洗管壁取樣是用浸有酒精的化纖棉洗下粘附在管壁上的粉塵，稱量干燥后的化纖棉的增重量可間接測量粉塵的沉積，該方法粉塵沉積不受外界條件影響，

但取樣精度易受人工操作影響。為消除人工操作的影響，實(shí)驗(yàn)采用特定面積取樣法進(jìn)行管壁的清洗，將薄鐵皮鏤空為10 cm×10 cm的四方形，弧度與圓管內(nèi)徑相同，取樣時(shí)將鐵皮緊貼管壁，用化纖棉仔細(xì)洗取鏤空區(qū)域，使沉積粉塵完全取于燒杯中，取樣效果如圖3所示。為避免管道連接處對粉塵沉積的影響，取樣點(diǎn)離管道端面的距離為100 mm。

圖3 特定面積酒精清洗取樣

2.3 方案

實(shí)驗(yàn)一：設(shè)定直管輸送系統(tǒng)氣流速度約為11、13、15、17、19和21 m/s，投料時(shí)間15 min，投料速度約200 g/min，預(yù)設(shè)采樣點(diǎn)間距1.5 m，如圖1(a)中A~D點(diǎn)。觀察管內(nèi)粉塵沉積表觀狀況，選擇合適采樣點(diǎn)，并分別采集管道底部、頂部和側(cè)面沉積粉塵，稱量特征點(diǎn)沉積粉塵質(zhì)量，分析粉塵粒度分布狀況，結(jié)果如圖4。

實(shí)驗(yàn)二：設(shè)定90°彎管輸送系統(tǒng)氣流速度約為13、15、17、19和21 m/s，投料時(shí)間15 min，投料速度約200 g/min，預(yù)設(shè)采樣點(diǎn)如圖1(b)中E~H點(diǎn)。分別采集90°彎管上游(F點(diǎn))、下游(E點(diǎn))、內(nèi)側(cè)(G點(diǎn))和外側(cè)(H點(diǎn))沉積粉塵，稱量各點(diǎn)沉積粉塵質(zhì)量，分析特征點(diǎn)粉塵粒度分布狀況。

實(shí)驗(yàn)三：設(shè)定三通主管和支管夾角分別為90°、60°、45°和30°，主管和支管進(jìn)口設(shè)置節(jié)流閥調(diào)節(jié)各自流速，主管流速約為19 m/s，支管流速分別約為17、19和21 m/s，投料時(shí)間15 min，主管投料速度約150 g/ min，支管投料速度約50 g/min。觀察粉塵在三通內(nèi)的沉積狀況，選擇合適采樣點(diǎn)采樣，并稱量采樣粉塵質(zhì)量，結(jié)果如圖11及12所示。

3 分析與討論

3.1 水平直管內(nèi)粉塵沉積的風(fēng)速主導(dǎo)特性

不同風(fēng)速下粉塵在水平直管內(nèi)沉積表觀狀況如圖4所示，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)(11 m/s)，粉塵在管道四周大量沉積，完全掩蓋了管道顏色，如圖4(a)；隨風(fēng)速提高(15 m/s)，粉塵沉積減弱，隱約能看到管道顏色，如圖4(b)，粉塵的沉積還逐漸表現(xiàn)出環(huán)狀特性；當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)(19 m/s)，粉塵沉積量明顯減少，如圖4(c)，粉塵在管內(nèi)沉積的環(huán)狀特性表現(xiàn)非常明顯。從表觀沉積狀況可以看出，風(fēng)速對水平直管粉塵沉積起主導(dǎo)作用，沉積量隨風(fēng)速增加體現(xiàn)出遞減趨勢，沉積分布也存在明顯差異，風(fēng)速較小時(shí)，沉積均勻，風(fēng)速較大時(shí)呈環(huán)狀分布。

圖4 粉塵在水平直管中的沉積效果

粉塵沉積量隨風(fēng)速變化如圖5所示(采樣點(diǎn)B)，隨風(fēng)速增加，管道底部、側(cè)面和頂部沉積量都呈減小趨勢，較低風(fēng)速時(shí)管道底部和側(cè)面減小趨勢較快，較高風(fēng)速時(shí)減緩較慢，而頂部減小趨勢較平緩。底部粉塵沉積量最大，側(cè)面次之，頂部最小。分析可知，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，氣流的湍流強(qiáng)度較小，無法平衡粉塵的自身重力，粉塵向下的有序沉降得不到有效阻止，極容易向管壁沉降；同時(shí)，流速較低氣流對粉塵的攜帶能力較弱，粉塵在管道內(nèi)停留時(shí)間較長，其向管壁運(yùn)移的相對行程增加，提高了沉積幾率。隨風(fēng)速增加，粉塵的橫向運(yùn)動(dòng)速度增大，在管內(nèi)停留時(shí)間減少，同時(shí)，氣流的湍流強(qiáng)度有所增大，一定程度上平衡了部分重力，使粉塵向下沉降趨勢減弱，部分粉塵則完全處于懸浮狀態(tài)，沉積明顯減弱?？梢钥闯?，當(dāng)管內(nèi)風(fēng)速大于17m/s時(shí)，各表面的沉積量隨風(fēng)速增加的變化都較平緩，對粉塵輸送較為有利。

圖5 粉塵在不同壁面的沉積量變化情況

對已沉積粉塵的再次懸浮，除考慮管壁粘附作用外，還需考慮氣流邊界層對粉塵產(chǎn)生的作用力。在邊界層中，氣流速度梯度較大，粉塵受Saffman升力作用增強(qiáng)，由(2)式可知， Saffman升力與速度梯度和粒度的二次方呈正比。對速度梯度而言，當(dāng)管內(nèi)流速較小時(shí)，邊界層較厚(式(4))，邊界層外邊界速度較低，邊界層速度梯度較小，能作用于粉塵上下表面的Saffman升力較小，不足以使大部分粉塵產(chǎn)生再次懸浮。而粉塵粒度越大，上下表面的速度梯度越大，受到的Saffman升力也越大，將越來越多地平衡掉重力作用力，當(dāng)速度增大到一定值后，粉塵就可以從管壁表面通過“跳躍”、“翻滾”等形式再次懸浮。因此，對本文研究的0~137.69 μm工業(yè)粉塵而言，粒度較小的粉塵更容易沉積，由圖6水平管道內(nèi)的沉積粉塵與原料粉塵粒度比就可以得到印證。

圖6 原料粉塵與沉積粉塵粒度對比

因此，管道底部、側(cè)面和頂部粉塵沉積量的差異主要來自重力影響。由于重力作用，粉塵具有向下運(yùn)動(dòng)的總趨勢，底部沉積量最多；頂部的粉塵，受到向上的擴(kuò)散作用與重力作用相反，向上沉積作用相對削弱，沉積量最少；對側(cè)面而言，重力與沉積作用方向垂直，沉積作用力主要靠湍流脈動(dòng)和布朗擴(kuò)散等，沉積量介于底部和頂部之間。

3.2 水平90°彎管內(nèi)粉塵沉積的區(qū)域差異特性

粉塵在水平90°彎管內(nèi)沉積體現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異，以彎頭為界限，彎頭上游、下游和彎頭內(nèi)部的粉塵沉積量依次減小，其中彎頭上游沉積量最多，是下游的幾倍到十幾倍，如圖7所示；彎頭下游沉積量較小，但各部位沉積量的大小關(guān)系較上游有所不同，如圖8所示；彎頭內(nèi)部粉塵沉積量較微弱，彎頭內(nèi)、外側(cè)更體現(xiàn)出巨大差異，如圖9所示。

圖7 彎管上游粉塵沉積量變化情況

圖8 彎管下游粉塵沉積量變化情況

圖9 彎管內(nèi)、外側(cè)粉塵沉積量變化情況

由圖7可知，彎頭上游頂面、側(cè)面和底面沉積量差異較大，內(nèi)、外側(cè)面也存在明顯差異。較低流速時(shí)底面沉積量最多，頂面最少，外側(cè)面沉積量略低于底面，但卻是內(nèi)側(cè)面的2倍多。當(dāng)流速較高時(shí)，外側(cè)面的沉積量反而超過了底面。分析可知，由于彎頭內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑不同，彎頭上游附近部分氣流將偏向彎頭外側(cè)流動(dòng)，導(dǎo)致該側(cè)氣流通過率降低，氣流攜帶的粉塵更多的向該側(cè)面聚集。在較低流速下，彎頭前后氣流流動(dòng)較為平緩，流動(dòng)偏移較弱，較多粉塵以向下沉降為主；當(dāng)流速較高時(shí)，大量流體向外側(cè)聚集，使得外側(cè)壁面接觸粉塵的幾率提高，而由于速度較高，湍流強(qiáng)度較大，粉塵向下沉積的趨勢有所減緩，導(dǎo)致外側(cè)壁面沉積量反而超過底面。

圖8中，彎頭下游粉塵沉積量總體較少，相同流速時(shí)各表面沉積量差別較小，且隨流速提高都呈減小趨勢，但各表面沉積量的大小關(guān)系不斷變化。從氣流流動(dòng)狀態(tài)分析可知，氣流流動(dòng)在彎頭處發(fā)生偏移，在彎頭內(nèi)側(cè)面下游發(fā)生氣流邊界層分離，產(chǎn)生局部漩渦區(qū)，使彎頭下游的流動(dòng)狀態(tài)處于高度湍動(dòng)狀態(tài)，粉塵向壁面運(yùn)動(dòng)的幾率大大降低，沉積量隨之減少。另外彎頭下游的高度湍流狀態(tài)使邊界層厚度較直管內(nèi)的充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)小，邊界層內(nèi)速度梯度大大提高，粉塵貼近壁面時(shí)受到Saffman升力提高，二次懸浮幾率增大，總沉積量大幅減少。

彎頭內(nèi)側(cè)粉塵沉積主要受氣流邊界層分離的影響，而外側(cè)主要受氣流偏移導(dǎo)致的外側(cè)面邊界層厚度減小的影響。彎頭內(nèi)側(cè)氣流繞彎頭流動(dòng)，在進(jìn)入彎頭下游后開始發(fā)生邊界層分離，在分離區(qū)產(chǎn)生大量漩渦，漩渦局部與壁面形成連續(xù)沖刷，使接觸到壁面的粉塵再次懸浮起來，同時(shí)，由于漩渦作用，大量向壁面運(yùn)動(dòng)的粉塵運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，產(chǎn)生圖9中的極低沉積量。而在彎頭外側(cè)，大量氣流向外側(cè)作離心偏移，與外側(cè)面碰撞的粉塵量增加，而外側(cè)面存在彎曲弧度，氣流以一定角度沖擊外側(cè)面邊界層使邊界層厚度降低，增加了沉積粉塵的二次懸浮幾率，這也是沉積量低于彎頭下游外側(cè)面的一個(gè)主要原因。

進(jìn)一步考察速度為19 m/s時(shí)彎管內(nèi)、外側(cè)沉積粉塵的粒度如圖10所示?？梢钥闯?，彎管內(nèi)側(cè)粉塵的粒度主要集中在20 μm以下，其中小于10 μm的粉塵占總量的近40%；而彎管外側(cè)，小粒度粉塵的分布并不集中，沉積粉塵在各粒度范圍內(nèi)均有分布。這一現(xiàn)象主要由于氣流向彎頭外側(cè)偏移，使內(nèi)側(cè)面流動(dòng)強(qiáng)度減弱，同時(shí)由于邊界層分離，在內(nèi)側(cè)產(chǎn)生大量漩渦并伴隨有垂直于主流方向的二次流產(chǎn)生，粒度較小的粉塵跟隨性較強(qiáng)，將長時(shí)間隨漩渦流動(dòng)停留在彎頭內(nèi)側(cè)，沉積幾率增大。對于彎頭外側(cè)，較大粒度粉塵慣性較大，當(dāng)氣流偏轉(zhuǎn)后，粉塵仍然向外側(cè)壁面碰撞，因此，較大粒度粉塵沉積在表面的幾率也較大。

由此可以看出，在彎頭上游粉塵有序沉積占主要作用；彎頭下游由于邊界層分離產(chǎn)生了漩渦區(qū)使沉積量急劇減少；在彎頭外側(cè)，由于流動(dòng)偏移對壁面的沖刷，降低了粉塵沉積幾率；而在彎管內(nèi)側(cè)，由于邊界層分離，同時(shí)部分粉塵隨氣流偏移向彎頭外側(cè)，沉積量最小。

圖10 彎管內(nèi)、外側(cè)沉積粉塵粒度對比

3.3 水平三通管內(nèi)粉塵沉積的支管主導(dǎo)特性

粉塵在三通管中主要沉積在支管與主管交匯處，如圖11中A、B和C三個(gè)區(qū)域所示，其中C區(qū)域沉積最多。從氣流流動(dòng)角度分析，C區(qū)域主管氣流受支管氣流沖擊，發(fā)生紊亂，支管氣流在進(jìn)入主管后發(fā)生邊界層分離，在C區(qū)域產(chǎn)生漩渦區(qū)，導(dǎo)致C區(qū)域沿主管方向橫向氣流減弱，粉塵隨漩渦在該區(qū)域停留時(shí)間延長，當(dāng)支管夾角和氣流較大時(shí)C區(qū)域沉積量將增大。主道中A區(qū)域橫向氣流受支管匯流作用隨支管氣流流動(dòng)方向偏移，同時(shí)來自主管的氣流受支管氣流擠壓而降低流速，在A區(qū)域也將形成漩渦區(qū)，但較C區(qū)域弱，且容易被主流帶離該區(qū)域。B區(qū)域粉塵沉積原因與A區(qū)域類似，為主管氣流影響支管氣流的結(jié)果?？梢钥闯?，粉塵的沉積主要受三通支管的主導(dǎo)。

不同角度三通隨支管速度變化的沉積量關(guān)系如圖12所示。可以看出，隨支管流速增加，粉塵沉積總量均增加，但不同角度增量不同，隨角度增加，沉積總量增量增加，90°三通增量最多，60°和45°其次，30°增量較微弱(如圖12中誤差線)。分析可知，三通管中粉塵的沉積主要受三通總管中旋渦區(qū)的影響，在90°三通管中，支管氣流垂直于直管氣流，支管氣流與主管氣流匯合后大量垂直分速度轉(zhuǎn)換為湍流脈動(dòng)速度，使主管湍流程度提高，隨支管流速提高，這種湍流擾動(dòng)作用增強(qiáng)，主管旋渦區(qū)擴(kuò)大，粉塵在漩渦區(qū)內(nèi)停留與管壁碰撞幾率增加，沉積量隨之增加；隨角度變小，支管沿主管方向的氣流分量增加，垂直方向的分量降低，對主管湍流脈動(dòng)影響降低，漩渦區(qū)得到弱化，沉積總量降低，如45°和30°三通沉積量為較低值。因此，設(shè)計(jì)三通時(shí)需使三通角度()和支管速度都處于較小值，如本文研究對象取三通角度()為30°~45°，支管風(fēng)速不超過主管風(fēng)速(19 m/s)。

圖11 粉塵在三通管內(nèi)沉積效果

圖12 不同角度三通管粉塵沉積量變化情況

4 結(jié)論

1) 水平直管內(nèi)粉塵的沉積受風(fēng)速主導(dǎo)，較大風(fēng)速湍流強(qiáng)度大，邊界層厚度小，有利于粉塵在湍流主體內(nèi)的懸浮和邊界層上產(chǎn)生二次懸浮，對預(yù)防粉塵沉積有益，水平直管合適風(fēng)速應(yīng)不低于17 m/s。

2) 水平90°彎管內(nèi)粉塵的沉積具有區(qū)域差異特性，在彎頭上游粉塵有序沉積占主要作用；氣流在彎頭處由于邊界層分離產(chǎn)生的漩渦區(qū)使下游沉積量急劇減少；在彎頭外側(cè)，由于流動(dòng)偏移對壁面的沖刷，降低了粉塵沉積幾率；而在彎管內(nèi)側(cè)，由于邊界層分離，同時(shí)部分粉塵隨氣流偏移向彎頭外側(cè)，沉積量最小。

3) 水平三通管內(nèi)粉塵沉積主要由支管角度與流速主導(dǎo)，本文研究對象合理取值為三通角度30°~45°，支管風(fēng)速不超過主管風(fēng)速(19 m/s)。

REFERENCES

[1] WOOD N B. A simple method for the calculation of turbulent deposition to smooth and rough surfaces [J]. Journal of Aerosol Science, 1981, 12: 275?290.

[2] FRIEDLANDER S K. Smoke, Dust and Haze. Fundamentals of Aerosol Behavior [M]. New York: John Wiley Sons, 1977: 72?73.

[3] LIU B, Augural J K. Experimental observation of aerosol deposition in turbulent flow [J]. Aerosol Science, 1974, 5: 145?155.

[4] QIAN Chen, GOODARZ, AHMADI. Deposition of particles in a turbulent pipe flow [J]. Journal of Aerosol Science, 1997, 28(5): 789?796.

[5] ALVIN C K Lai, MIRIAM A Byrne, ANTHONY J H Goddard. Aerosol deposition in turbulent channel flow on a regular array of three-dimensional roughness elements [J]. Aerosol Science 2001, 32: 121?137.

[6] ALVIN C K Lai, MIRIAM A Byrne, ANTHONY J H Goddard. Enhanced particle loss in ventilation duct with ribbed surface [J]. Building and Environment, 2000, 35: 425?432.

[7] LAI A C K, BYME M A, GODDARD A J H. Measured deposition of aerosol particles on two-dimensional ribbed surface in a turbulent duct flow [J]. Journal of Aerosol Science, 1999, 30(9): 1201?1212.

[8] 歐陽鴻武, 程 亮, 黃立華, 等. 瓶頸中顆粒流動(dòng)的堵塞行為[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2013, 18(1): 13?19. OUYANG Hong-wu, CHENG Liang, HUANG Li-hua, et al. Jamming behavior of granular flow in a bottleneck [J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2013, 18(1): 13?19.

[9] HE C H, AHMADI G. Particle deposition with thermo phoresis in laminar and turbulent duct flows [J]. Aerosol Science and Technology, 1988, 29(6): 525?546.

[10] 劉洪濤. 氣固兩項(xiàng)流中微細(xì)顆粒沉積與擴(kuò)散特性的數(shù)值研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2010: 12?15. LIU Hong-tao. Numerical simulation of micro-particle deposition and diffusion characteristics in gas-solid two-phase flow [D]. Chongqing: Chongqing University, 2010: 12?15.

[11] 任 毅, 亢燕銘, 鐘 珂. 通風(fēng)管道彎頭內(nèi)粒子沉積的模擬[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008. 34(1): 112?116. REN Yi, KANG Yan-ming, ZHONG Ke. Simulation of aerosol deposition in the bends of ventilating ducts [J]. Journal of Donghua University (Natural Science), 2008, 34(1): 112?116.

[12] 朱青松. 矩形風(fēng)管系統(tǒng)中顆粒物料沉降速度的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2007: 45?48. ZHU Qing-song. Experimental study on deposition velocity of particles in rectangular ventilation ducts [D]. Changsha: Hunan University, 2007: 45?48.

[13] 胡大山. 粉塵在通風(fēng)除塵管道內(nèi)沉降行為的研究[D]. 武漢: 武漢科技大學(xué), 2008: 38?42. HU Da-shan. The proceedings for the sedimentation of dust in ventiduct [D]. Wuhan: Wuhan Science & Technology University, 2008: 38?42.

[14] SUN Ke, LU Lin. Particle flow behavior of distribution and deposition throughout 90° bends: Analysis of influencing factors [J]. Journal of Aerosol Science, 2013, 65: 26?41.

[15] BARTH T, REICHE M, BANOWSKI M, et al. Experimental investigation of multilayer particle deposition and resuspension between periodic steps inturbulent flows [J]. Journal of Aerosol Science, 2013, 64: 111?124.

(編輯 高海燕)

Deposition characteristic of high concentration dust in ventilation conveyer process

LI Xiao-chuan1, CHEN Ming-jun2, LIU Qi3, WANG Qi-li1, LUO Hui-qing1, CHAI Wei-hao1

(1. School of Chemical Engineering and Technology, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116, China; 2. Shanxi Tiandi Coal Machine Equipment Co., Ltd., Taiyuan 030006, China; 3. School of Electric Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Dust deposition, which blocks the pipeline in sometimes, is a very common phenomenon in ventilation conveyer process. The deposition characteristic of high concentration dust in ventilation conveyer process was discussed and studied in the present paper. The primary conclusions are as follows: In horizontal straight pipe the dust deposition are leading by airflow velocity. The greater airflow velocity the greater turbulence intensity and the thinner boundary layer thickness are. It contributes to the dust suspension in the external flow area and the secondary suspension of dust in the boundary layer. It has the regional characteristics of the dust deposition in 90° bend. The orderly deposition of dust is the mainly action in upstream of bent. In downstream of bent, the deposition mass reduces sharply because of the whirlpool zone generated due to airflow boundary layer separation. In the outside of bent, the deposition ratio reduces relatively because of the airflow skewing which intensifies the airflow washing the wall of pipeline. However, in the inner side of bent, the deposition mass is the least because of the airflow boundary layer separation and the dust particles skewing along with the airflow. In thebend, the dust deposition is influenced by the branch pipe angle and the airflow velocity. The suitable parameters of high concentration dust in ventilation conveyer are as follows: the airflow velocity of horizontal straight pipe and 90° bend pipe should be not lower than 17 m/s; and the angle ofbend pipe should be 30°~45°, and the airflow velocity of branch pipe should be not exceeding main pipeline.

ventilation conveyer process; dust deposition; horizontal straight pipe; 90° bend pipe;bend pipe

TF09, X513

A

1673-0224(2015)3-470-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404252)，國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410290028)，國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(2012CB214900)

2014-6-30；

2014-9-17

李小川, 講師, 博士。電話：0516-83995268；E-mail: xiaochuanli2008@163.com