旋流離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)霧化特性影響現(xiàn)狀分析?

劉夢紅,劉何清,2,吳 揚(yáng)

(1.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; 2.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)

旋流離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)霧化特性影響現(xiàn)狀分析?

劉夢紅1,劉何清1,2,吳 揚(yáng)1

(1.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; 2.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)

影響旋流離心噴嘴霧化特性的因素很多,其中旋流離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴嘴霧化特性影響復(fù)雜、多樣,得到很多學(xué)者關(guān)注,并開展了大量的研究。歸納與分析整理了以往學(xué)者的研究成果,對(duì)旋流離心噴嘴霧化錐角、液滴速度、液滴直徑的影響因素及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了較全面的評(píng)述,并總結(jié)得出了有待進(jìn)一步研究的問題,為今后的研究方向提供了參考。

噴霧除塵;離心噴嘴;霧化特性;結(jié)構(gòu)參數(shù)

0 引 言

礦井塵害是礦山主要災(zāi)害之一,嚴(yán)重威脅井下工作人員的身體健康。目前粉塵防治技術(shù)[1-3]有煤層預(yù)注水、噴霧降塵、通風(fēng)除塵和個(gè)體防護(hù)措施等,其中噴霧降塵技術(shù)是礦井除塵最普遍、最有效的方式之一。而噴霧降塵效果的關(guān)鍵是噴嘴霧化特性,噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響霧化特性的關(guān)鍵之一,因此研究噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴霧霧化特性的影響有著重要意義。

旋流離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)[4-6]主要包括:噴嘴孔徑、旋流室直徑、旋流入口角度、噴嘴長度和出口長徑比等。噴霧霧化特性參數(shù)[7-9]包括宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)兩個(gè)方面,宏觀參數(shù)有:霧化錐角、射流貫穿長度、液膜破碎長度和液滴在噴霧場中的分布;微觀參數(shù)有:液滴尺寸、液滴在流場中的位置、速度與粒徑的分布。

正是由于噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其霧化特性及降塵效率有重要的影響,因此,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究,取得了一系列研究成果[10-11]?；诖?筆者根據(jù)自己掌握的相關(guān)知識(shí)與認(rèn)識(shí),對(duì)旋流離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其霧化特性影響現(xiàn)狀進(jìn)行粗淺的分析,試圖提出今后的研究趨向。

1 旋流離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)霧化錐角的影響

霧化錐角即為噴霧射流中張開的角度,它是描述液體射流霧化特性和霧化質(zhì)量的重要參數(shù)之一,關(guān)系到實(shí)際工程中噴嘴布置的間距與密度[12-14]。噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋流離心噴嘴霧化錐角的影響較復(fù)雜,且國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究,下文筆者主要?dú)w納與分析眾學(xué)者關(guān)于噴嘴孔徑、旋流室直徑和入口角度對(duì)霧化錐角的影響。

1.1 噴嘴孔徑對(duì)霧化錐角的影響

1982年,日本學(xué)者廣安博之[15]推導(dǎo)出了霧化錐角與噴孔直徑的經(jīng)驗(yàn)公式,并發(fā)現(xiàn):較大的離心噴嘴孔徑,噴口面積較大,出口阻力小,霧化錐角小,但噴霧液膜較厚,射流破碎時(shí)間和液膜破碎長度較長;較小的離心噴嘴孔徑,噴口面積較小,霧化錐角大,噴口處形成較薄的錐形液膜[16]。但此結(jié)論未通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,也未闡述噴霧錐形液膜與霧化效果好壞是否有關(guān)。

Mohammad[17]開展了旋流離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴霧特性影響的實(shí)驗(yàn)研究,通過增加旋流離心噴嘴的孔徑,發(fā)現(xiàn)旋流室入口的切向速度增加,噴嘴出口處的切向速度隨之增加,霧化錐角增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與廣安博之學(xué)者推導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)公式完全不相符,因此后續(xù)許多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬進(jìn)行了求證分析。

周猛[18]等采用動(dòng)量守恒原理,推導(dǎo)并建立了旋流離心噴嘴無粘理論計(jì)算模型,并得出了噴嘴孔徑與霧化錐角的關(guān)系曲線,發(fā)現(xiàn)霧化錐角也隨噴嘴孔徑的增大而增大,并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,基本吻合,但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較理論計(jì)算數(shù)據(jù)總體偏小;該學(xué)者沒有分析造成實(shí)驗(yàn)霧化錐角偏小的原因。Akira[19-20]等認(rèn)為隨旋流離心噴嘴孔徑的增加,液體流動(dòng)阻力小,噴孔內(nèi)湍流強(qiáng)度增加,噴孔外的環(huán)境介質(zhì)會(huì)被倒吸進(jìn)噴孔,壓迫噴孔內(nèi)的空泡區(qū),使噴孔壁上出現(xiàn)一層薄壁氣體,導(dǎo)致噴霧液體與噴孔壁面分離,出現(xiàn)噴霧錐角減小的現(xiàn)象。尹俊連[21]等通過VOF軟件模擬旋流離心噴嘴內(nèi)部的氣液兩相流動(dòng),噴孔孔徑越小,液體開始破碎時(shí)間越早,更易促進(jìn)液體表面的初始擾動(dòng)水平,形成液滴分離,并發(fā)現(xiàn)錐形液膜厚度是由空氣芯的尺寸決定的,得出了預(yù)測錐形液膜厚度的公式,但未經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

王謙[22]等學(xué)者利用超高速攝影儀觀察了4mm范圍內(nèi)的噴孔直徑對(duì)霧化錐角的影響,并對(duì)啟噴與穩(wěn)定階段的噴霧霧化錐角進(jìn)行較全面分析,啟噴這一瞬態(tài)過程主要受噴孔內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的空穴以及湍流影響,而穩(wěn)定階段由氣動(dòng)力的作用,造成噴霧錐角隨孔徑增大而增大,小孔徑噴嘴錐形液膜破碎時(shí)間短,有利于加快霧化時(shí)間。邱慶剛[4]基于VOF建立湍流模型,對(duì)錐形液膜厚度進(jìn)行模擬分析,得出孔徑越大,錐形液膜厚度稍大些,液膜破碎長度越長,但液膜厚度在噴霧過程中不穩(wěn)定。

綜上所述,噴嘴孔徑對(duì)霧化錐角的影響有2種截然相反的結(jié)論。多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)論是:霧化錐角與孔徑大小成正比關(guān)系,較大孔徑的霧化錐角大,但錐形液膜厚度厚,射流破碎時(shí)間長;較小孔徑的霧化錐角小,錐形液膜厚度薄,射流破碎時(shí)間短。少數(shù)學(xué)者研究結(jié)論相反,隨噴嘴孔徑增大,霧化錐角減小。因此,關(guān)于噴嘴孔徑對(duì)霧化錐角的影響還有待從機(jī)理到實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步研究。

1.2 旋流室尺寸對(duì)霧化錐角的影響

高壓液體經(jīng)過旋流室進(jìn)入噴嘴,在離心力的作用下高壓液體在旋流室內(nèi)做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),然后以較高的速度從噴嘴出口噴射而出,因此,旋流室的結(jié)構(gòu)及參數(shù)直接影響霧化錐角的大小。國內(nèi)外已有很多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法開展了旋流室直徑、入口傾斜角對(duì)霧化錐角的影響研究,并取得了一定的研究成果。

1.2.1 旋流室直徑對(duì)霧化錐角的影響

Sakman[23]通過拉格朗日－歐拉法研究了噴嘴旋流室直徑等旋流離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)霧化特性的影響,并得到霧化錐角與旋流室直徑的關(guān)系曲線,發(fā)現(xiàn)霧化錐角隨旋流室直徑的增大有所增大,但不明顯。

趙子行[24]對(duì)3個(gè)旋流室直徑不同的噴嘴進(jìn)行了霧化錐角的實(shí)驗(yàn)研究,在相同噴霧壓力下,增大旋流室直徑,噴嘴初始旋流度增加,射流徑向速度越大,噴霧錐角張開度有所增大,但不明顯。董星濤[8]等對(duì)2.5～4mm的旋流室直徑的霧化錐角進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)旋流室直徑為3mm時(shí),霧化錐角達(dá)到最大值,繼續(xù)增大旋流室直徑,霧化錐角不再變化。王曉琦[25]的實(shí)驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)旋流室直徑的變化對(duì)霧化錐角大小影響不明顯。

綜上所述,理論與實(shí)驗(yàn)研究均表明,旋流室直徑對(duì)噴霧霧化錐角的影響不大。

1.2.2 旋流室入口傾斜角對(duì)霧化錐角的影響

XUE[26]等利用數(shù)值方法研究了90°到180°的旋流離心噴嘴錐形室入口傾斜角對(duì)霧化錐角的影響,發(fā)現(xiàn)其對(duì)霧化錐角的影響較小,但會(huì)改變液體薄膜的厚度?？捎捎跓o法具體測量液膜厚度,也未得出旋流室入口角度與液膜厚度的函數(shù)關(guān)系。

張永良[6]設(shè)計(jì)了進(jìn)液傾斜角為30°的可視化透明離心噴嘴,與切向進(jìn)液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究,并采用高速攝像儀拍攝噴嘴霧化錐角的變化趨勢。實(shí)驗(yàn)表明:30°進(jìn)液較切向進(jìn)液相比,軸向方向速度增加,霧化錐角可達(dá)到75°,噴嘴出口液膜厚度小。但該學(xué)者未對(duì)其他傾斜角的進(jìn)液方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),因此未找到最佳的進(jìn)液傾斜角。閆云飛[27]實(shí)驗(yàn)得出,旋流室入口角度為90°、旋流室與噴孔直徑比D/d為4.4～6.4時(shí),噴嘴的霧化錐角為70°左右,霧化效果良好。但未計(jì)算D/d的值為多少時(shí),霧化錐角達(dá)到最大值,沒有對(duì)不同入口角度的霧化錐角進(jìn)行對(duì)比分析,沒有得出入口角度與霧化錐角的函數(shù)關(guān)系。潘振華[5]等對(duì)旋流室入口傾斜角為20°～40°間的進(jìn)液方式,進(jìn)行了9組工況的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)切向槽位置設(shè)在旋流室圓錐半徑1/2或3/4處,傾斜角取最小值20°時(shí),霧化錐角最大,霧化質(zhì)量較好,但由于實(shí)驗(yàn)樣本較少,實(shí)驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步考證。

綜上所述,通過數(shù)值模擬研究與實(shí)驗(yàn)研究,旋流室入口傾斜角對(duì)霧化錐角的影響得出的結(jié)論存在偏差,實(shí)驗(yàn)研究得出旋流室入口傾斜角對(duì)霧化錐角有顯著的影響,且存在最優(yōu)角度。但由于實(shí)驗(yàn)樣本量較小及實(shí)驗(yàn)條件的限制,加上實(shí)驗(yàn)研究與理論分析的不一致性,已經(jīng)取得的結(jié)論還有待進(jìn)一步理論分析和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證,有待理論與實(shí)驗(yàn)的新發(fā)現(xiàn)。

2 旋流離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液滴速度的影響

噴霧降塵裝置的噴嘴出口液滴擴(kuò)散速度,直接影響液滴捕捉粉塵的效率,液滴速度過高或過低均會(huì)影響液滴捕捉粉塵的效率。因此,許多學(xué)者試圖通過機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)研究,以求獲得最佳捕塵液滴速度。

2.1 噴嘴孔徑對(duì)液滴速度的影響

董星濤,劉焜[8,28]等分別采用Fluent軟件和多普勒相位儀(PDPA)分析了霧化外場的霧化特性,測量了霧化外場中液滴軸向速度,液體壓力一定時(shí),增大噴嘴孔徑液滴的軸向速度變大,但不明顯。尹俊連[21]等采用VOF多相模型對(duì)旋流噴嘴內(nèi)部的氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并通過激光測速儀與高速攝影測量了噴嘴孔徑對(duì)徑向液滴速度的影響,結(jié)果顯示:噴霧液滴徑向液滴速度隨噴嘴孔徑增大而增大,實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值基本相符,并闡明噴嘴內(nèi)空氣芯的作用會(huì)導(dǎo)致液滴實(shí)驗(yàn)速度較模擬速度偏小。

聶濤[29]在噴霧壓力為5MPa下,分別對(duì)1.0 mm、1.2mm、1.5mm的噴嘴孔徑與噴霧內(nèi)流場液滴速度的影響規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究發(fā)現(xiàn):內(nèi)流場液滴速度隨孔徑的增大而減小。其中,孔徑為1.0mm的旋流噴嘴液滴切向速度最大,且切向速度變化速率大,霧化效果最好。周佳[30]利用Fluent軟件對(duì)噴霧內(nèi)流場進(jìn)行了模擬分析,結(jié)果表明:孔徑為1.0mm時(shí),旋流半徑對(duì)噴嘴出口速度影響最顯著,對(duì)不同方向的影響程度排序?yàn)?切向速度＞徑向速度＞軸向速度。

綜上所述,噴孔直徑對(duì)液滴速度有影響。在噴霧外場,隨噴嘴孔徑增大,噴孔內(nèi)阻力減小,噴霧液滴速度增大;在噴霧內(nèi)流場,噴霧速度隨噴嘴孔徑的增大而減小,減小原因有待分析與論證。另外,孔徑對(duì)不同方向速度影響程度不同:切向速度＞徑向速度＞軸向速度。由于不同噴嘴的參數(shù)不同,無法籠統(tǒng)說噴孔直徑對(duì)應(yīng)的最佳速度,只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的具體情況測定。

2.2 旋流室直徑對(duì)液滴速度的影響

Santolaya[31]等應(yīng)用PDPA研究了旋流噴嘴出口霧滴的速度,旋流室直徑增大,旋流室旋流強(qiáng)度增加,液滴出口速度隨之增加。Hosoya[32]等在穩(wěn)態(tài)的條件下,使用PDPA對(duì)燃油噴霧特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,測定了噴霧液滴速度與旋流室直徑的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)噴霧液滴速度與旋流室直徑大小呈近線性關(guān)系。

張樂超[33]等概述了國內(nèi)外噴孔幾何特征尺寸對(duì)柴油噴霧性能影響的研究現(xiàn)狀,并且闡述了旋流尺寸等特征尺寸對(duì)柴油噴霧特性的影響,在其他參數(shù)不變條件下,增大噴嘴旋流半徑,旋流強(qiáng)度增大,液滴的出口速度增大。閆超[34]研究得出,旋流直徑增加,旋流室內(nèi)切向速度迅速增加,噴霧液滴的速度也隨之增加,繪出了旋流尺寸與液滴速度的曲線,得出旋流尺寸大小與液滴速度呈近似線性關(guān)系。

綜上所述,旋流室直徑對(duì)噴嘴液滴速度有影響,且近似為線性關(guān)系,液滴速度的增大隨旋流室直徑的增大而增大。但是未對(duì)旋流室直徑霧滴的切向速度、徑向速度與軸向速度進(jìn)行深入的分析。

3 旋流離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液滴直徑的影響

噴霧液滴粒徑與液滴尺寸分布是衡量噴霧霧化特性好壞的重要指標(biāo),而旋流離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴霧液滴粒徑有影響。因此研究旋流離心噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與液滴直徑的規(guī)律對(duì)噴霧霧化特性有一定的意義。

3.1 噴嘴孔徑對(duì)液滴直徑的影響

Elkotb等[35]通過噴霧實(shí)驗(yàn),得到了不同噴嘴孔徑下噴霧液滴尺寸的分布曲線,結(jié)果表明:隨著噴孔直徑的減小,索泰爾平均直徑(SMD)減小。Simmons和Harding[36]采用激光粒度分析儀構(gòu)建了旋流離心噴嘴噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),得到了不同孔徑下的霧滴直徑,并得到了他們的關(guān)系曲線,霧粒SMD隨噴嘴孔徑的減小而減小,在霧場軸向方向先增大后減小,最后趨于穩(wěn)定,呈近“正態(tài)分布”。

史紹熙[37]等人采用激光全息法對(duì)旋流噴嘴射流噴霧霧化進(jìn)行了初步的探索,測量了旋流離心噴嘴霧化的液滴尺寸。聶濤[29]研究得出霧滴粒徑不僅隨噴霧壓力的增大而減小,也隨孔徑的減小而減小,同時(shí),由于霧滴離開噴嘴時(shí)SMD較小,且霧場中霧粒較多不利于霧滴繼續(xù)破碎,粒徑在霧場軸向方向先增大后減小,最后趨于穩(wěn)定。馬素平[9]在噴霧壓力為3～10MPa間,研究了孔徑為1.2～2.0 mm的噴嘴的液滴直徑,發(fā)現(xiàn)小孔徑的液滴直徑較小,小于1mm的孔徑,液滴直徑過小容易蒸發(fā),且易發(fā)生水質(zhì)問題導(dǎo)致噴嘴堵塞現(xiàn)象;大于2mm的孔徑,不僅耗水量大,相同壓力下霧滴粒徑過大,不利于除塵;實(shí)際工程中噴孔孔徑應(yīng)在1～2mm間選擇。

綜上所述,液滴直徑隨噴孔直徑的減小而減小,過大的噴孔直徑液滴直徑過大,難以捕捉粉塵;過小的噴孔直徑液滴直徑過小,噴霧液滴在捕捉粉塵時(shí)易被蒸發(fā)。所以在噴霧除塵時(shí),為產(chǎn)生捕捉粉塵的最佳液滴直徑,應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)膰娍字睆健?/p>

3.2 旋流室直徑對(duì)液滴直徑的影響

Yeung[38]通過噴霧實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)霧粒SMD基本不隨旋流室直徑的改變而改變,但未具體說明結(jié)果原因。LongWuqiang[39]等應(yīng)用PDPA分析了噴嘴非穩(wěn)態(tài)噴霧霧化特性,對(duì)預(yù)燃柴油機(jī)內(nèi)的旋流室直徑和粒子的直徑分布進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):旋流室半徑的增加,旋流強(qiáng)度增大,液滴與大氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度加快,一定程度上加快了液滴的破碎,使液滴直徑變小,但不明顯。

4 存在的問題與展望

歸納上述分析可知,雖然國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究,并取得了大量的研究成果,但由于不同噴嘴結(jié)構(gòu)的霧化機(jī)理、實(shí)驗(yàn)條件的限制,造成數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室研究取得的結(jié)論都存在一定的局限性,還需進(jìn)一步研究與完善。根據(jù)上文分析,目前研究中存在的不足與待解決的問題主要有:

(1)噴嘴孔徑對(duì)霧化錐角的影響有兩種截然相反的結(jié)論,多數(shù)學(xué)者研究結(jié)論是霧化錐角與孔徑大小成正比關(guān)系,少數(shù)學(xué)者研究結(jié)論是隨噴嘴孔徑增大霧化錐角減小。因此,關(guān)于噴嘴孔徑對(duì)霧化錐角的影響還有待從機(jī)理到實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步研究。

(2)噴嘴孔徑、旋流室尺寸等噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)霧化錐形液膜厚度的影響尚無深入的研究,由于實(shí)驗(yàn)儀器的限制,學(xué)者無法精確的通過實(shí)驗(yàn)測量液膜厚度,也未能得出噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與錐形液膜厚度的關(guān)系式。

(3)噴孔孔徑對(duì)液滴速度有影響。在噴霧外場,隨噴嘴孔徑增大,噴孔內(nèi)阻力減小,噴霧液滴速度增大;在噴霧內(nèi)流場,噴霧速度隨噴嘴孔徑的增大而減小,減小原因有待進(jìn)一步分析研究。

(4)液滴直徑隨噴孔直徑的減小而減小,過大的噴孔直徑液滴直徑過大,難以捕捉粉塵;過小的噴孔直徑液滴直徑過小,噴霧液滴在捕捉粉塵時(shí)易被蒸發(fā)。因此,是否可以獲得既有利于捕塵、有不易蒸發(fā)的最佳液滴直徑及產(chǎn)生最佳液滴直徑的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)組合尚有待研究。

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2017-05-15)

劉夢紅(1993－),女,湖南新化人,碩士研究生,主要研究礦井通風(fēng)與粉塵防治,Email:782996767＠qq.com。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474105).