遠(yuǎn)程噴霧降塵兩相射流流場(chǎng)研究

姜華 郭芮伶 朱江濤

摘要：遠(yuǎn)程噴霧降塵是基于環(huán)保理念廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)除霾及礦山除塵的常見(jiàn)方式。為提高噴霧降塵效果，基于SOLIDWORKS與ICEM聯(lián)合建立遠(yuǎn)程噴霧機(jī)幾何模型，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型以及DPM計(jì)算模型構(gòu)造射流流場(chǎng)模型，利用FLUENT軟件研究噴嘴出水口孔徑與水流入射角對(duì)霧粒霧化濃度及射程的影響。在定水泵功率和定風(fēng)機(jī)功率條件下，分別對(duì)噴嘴出水口直徑為2，4，6，8和10 mm的5種工況以及水流入射角在0°，15°，30°，45°，60°和75°的6種工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析兩相射流流場(chǎng)特性，得出霧粒霧化濃度與射程變化規(guī)律。結(jié)果表明：在定水泵功率和定風(fēng)機(jī)功率，變噴嘴出水口直徑和變水流入射角工況下，分別在噴嘴出口孔徑為4mm和水流入射角為60°時(shí)，噴嘴霧粒分散度及密度分布比較理想且射程達(dá)到最大，霧化除塵效果較好。

關(guān)鍵詞：礦山環(huán)境;數(shù)值模擬;遠(yuǎn)程噴霧降塵;兩相流

中圖分類(lèi)號(hào)：TD 724文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0210文章編號(hào)：1672-9315（2019）02-0249-07

0引言

第2期姜華等：遠(yuǎn)程噴霧降塵兩相射流流場(chǎng)研究遠(yuǎn)程風(fēng)送式噴霧降塵主要以風(fēng)送式噴霧技術(shù)為核心，在噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)從風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流將霧滴送向目標(biāo)面[1]。在工作過(guò)程中，霧滴不僅具有較高的速度，可以達(dá)到較遠(yuǎn)的距離，同時(shí)也可達(dá)到較好的霧化效果。噴霧降塵機(jī)理是噴霧機(jī)中的水通過(guò)噴嘴形成霧滴，含塵氣流在水霧作用下，因顆粒物與霧滴間的撞擊、凝結(jié)、沉降作用使得顆粒物隨霧滴沉積下來(lái)，達(dá)到防塵、除塵的效果[2-3]。目前，遠(yuǎn)程風(fēng)送式噴霧技術(shù)廣泛應(yīng)用于露天礦山開(kāi)采、抑塵噴霧、凈化環(huán)境、農(nóng)業(yè)植保及路橋修建等領(lǐng)域，是保障工作人員身體健康和安全作業(yè)環(huán)境的關(guān)鍵。因此，深入研究遠(yuǎn)程噴霧技術(shù)、提高遠(yuǎn)程噴霧射流的除塵效率，對(duì)安全高效的防塵與除塵具有重要的理論意義與實(shí)踐價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)噴霧除塵技術(shù)作了相關(guān)研究工作，Schmehl通過(guò)試驗(yàn)分析了液滴對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)表面壓力分布的小振幅形狀響應(yīng)，得出水滴與空氣界面存在較大壓力差時(shí)，與水滴撞擊的粉塵會(huì)因空氣界面的強(qiáng)大反作用力而推開(kāi)，無(wú)法達(dá)到降塵效果[4]。此外，相關(guān)學(xué)者對(duì)噴霧機(jī)類(lèi)型[5-6]、噴霧質(zhì)量[7-8]、噴嘴個(gè)數(shù)[9-10]、噴嘴尺寸[11-13]、噴嘴入口速度[14-15]、風(fēng)速和風(fēng)向參數(shù)[16-18]、霧化壓力[19-21]等方面進(jìn)行了研究，探討了以上參數(shù)對(duì)遠(yuǎn)程風(fēng)送式噴霧降塵霧粒分布規(guī)律及其效率的影響。Sumner開(kāi)展了遠(yuǎn)程風(fēng)送式裝置噴射化學(xué)藥品的霧滴試驗(yàn)，得出噴霧裝置的作業(yè)速度和噴嘴的形式尺寸對(duì)霧滴分布和射程有重要影響[22]。湯伯敏等將兩相流噴頭應(yīng)用于霧化性能和藥物效果的相關(guān)試驗(yàn)，明確了藥液粘性和表面張力大小對(duì)霧滴粒徑、噴霧量的影響程度[23]。但目前風(fēng)送式噴霧機(jī)的射程和霧化效果與各相關(guān)參數(shù)間關(guān)系需要進(jìn)一步深入研究，以適應(yīng)技術(shù)水平發(fā)展的需求。

文中基于噴霧降塵霧化理論，采用泰勒比（TAB模型）霧化模型對(duì)遠(yuǎn)程噴霧降塵兩相射流流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，研究了定水泵功率和定風(fēng)機(jī)功率工況下，不同噴嘴口徑以及不同水流入射角對(duì)霧化濃度和射程的影響，為提高霧化除塵效果和優(yōu)化噴霧射程提供科學(xué)依據(jù)。

1幾何模型和計(jì)算工況

1.1幾何模型文中針對(duì)遠(yuǎn)程噴霧降塵兩相射流流場(chǎng)建立物理模型并進(jìn)行仿真研究，水力模型依據(jù)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備建立。模型計(jì)算域?yàn)橹睆?0 m，長(zhǎng)度100 m的圓柱域，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口為進(jìn)口面中心直徑646 mm的圓面，在與風(fēng)機(jī)出風(fēng)口圓周相距5 mm的圓周方向均勻布置12個(gè)等直徑噴嘴，出水口為噴嘴出口小圓面，遠(yuǎn)程噴霧降塵兩相射流流場(chǎng)幾何參數(shù)見(jiàn)表1，水力模型如圖1所示。

1.2計(jì)算工況

在水泵壓強(qiáng)為4 MPa，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為40 m/s（軸向吹風(fēng)）情況下，對(duì)噴嘴出水口直徑分別為2，4，6，8和10 mm的5種工況進(jìn)行模擬，根據(jù)模型特性采用四面體的網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)分別為220萬(wàn)，216萬(wàn)，211萬(wàn)，208萬(wàn)和203萬(wàn)。在水泵壓強(qiáng)為4 MPa，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為40 m/s（軸向吹風(fēng)），噴嘴出水口直徑為2 mm和入射水速度為44 m/s情況下，對(duì)噴嘴水流入射角（入射水與入射空氣夾角）為0°，15°，30°，45°，60°和75°的6種不同工況進(jìn)行模擬，網(wǎng)格總數(shù)為220萬(wàn)，網(wǎng)格模型如圖2所示。

3結(jié)果分析

在計(jì)算域中選取XY平面方向的截面，如圖3所示，根據(jù)截面的液相分布云圖分析霧粒分布情況，得出不同位置的霧化濃度。

3.1霧粒分布規(guī)律

3.1.1不同出水口直徑計(jì)算結(jié)果分析

在風(fēng)機(jī)額定功率為13 kW，水泵壓強(qiáng)為4? MPa，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為40 m/s，水流入射角為0°的情況下，針對(duì)噴嘴出水口直徑d分別為2，4，6，8和10 mm 5種工況進(jìn)行模擬，依據(jù)公式（3）計(jì)算入射水速度，結(jié)果見(jiàn)表2.

velocity in five working conditions直徑d噴嘴口徑/mm246810入射水速度/（m·s-1）4427.821.2517.515.05在空氣射流流場(chǎng)的特性研究中，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)出口直徑為464 mm，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為40 m/s的射流流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)布點(diǎn)測(cè)量、以及采用數(shù)值方法進(jìn)行仿真模擬，分別得出了中心線速度衰減曲線如圖4所示。

通過(guò)上述5種工況的數(shù)值模擬結(jié)果，分析霧粒在XY截面（圖3截面）的分布云圖如圖5所示。

結(jié)合流場(chǎng)中心速度變化趨勢(shì)及霧粒分布云圖可知當(dāng)d噴嘴口徑=2 mm時(shí)，受?chē)娮斐鏊谥睆降挠绊?，噴嘴出口霧粒粒徑較小且分布較為均勻，入射水速度大于風(fēng)機(jī)出風(fēng)口速度，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口速度沒(méi)有起到助力作用，而霧粒相互作用使其在截面中心位置集中度較大，霧化效果較為明顯，但射程較小;當(dāng)d噴嘴口徑=4 mm時(shí)，入射水速度大幅度下降，使得霧粒在近噴嘴出口處集中分布于截面中間位置，霧流較為緊密，在噴霧區(qū)的中心位置霧化濃度較大，且由于風(fēng)機(jī)出風(fēng)口速度大于入射水速度，在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的速度的帶動(dòng)作用下，加大了霧粒射程和增強(qiáng)了霧化效果，受中心線速度衰減規(guī)律的影響，噴霧區(qū)整體濃度成梯度變化，霧粒分布范圍較遠(yuǎn)，霧化效果顯著;當(dāng)d噴嘴口徑=6 mm時(shí)，由于風(fēng)機(jī)出口速度大于入射水速度，相差大約18.75 m/s，霧粒受出風(fēng)口速度的影響，在傳輸過(guò)程中密度相對(duì)較小，主要速度近似于由重力所提供的垂直向下的速度;當(dāng)d噴嘴口徑=8 mm與d噴嘴口徑=10 mm時(shí)，由于風(fēng)機(jī)出風(fēng)口速度遠(yuǎn)大于入射水流速度，但由于噴嘴出水口直徑較大，使得霧粒粒徑較大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出風(fēng)口速度幾乎不起作用，2種工況霧粒分布出現(xiàn)相似的趨勢(shì)，主要受霧粒重力作用影響，成重力拋物線曲線趨勢(shì)降落且都落在距噴嘴出水口大約20m處，從霧粒分布離散程度來(lái)看，霧粒分散度隨著距噴嘴距離的增大而增大，在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口速度的影響作用下，噴嘴出水口直徑為8 mm要比噴嘴出水口直徑為10 mm的霧粒分布離散度大。

3.1.2不同水流入射角計(jì)算結(jié)果分析

在風(fēng)機(jī)額定功率為13 kW，水泵壓強(qiáng)為4? MPa，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為40 m/s，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模型，采用噴嘴出水口直徑為2 mm以及入在射水速度為44 m/s條件下，針對(duì)水流入射角為0°，15°，30°，45°，60°和75°的6種不同工況進(jìn)行模擬，在XY截面（圖3截面）上不同水流入射角所對(duì)應(yīng)的液相分布云圖如圖6所示。

根據(jù)上述6種工況下的霧粒分布云圖可知，當(dāng)水流入射角為0°，15°，30°，45°時(shí)，由于受到水流速度在X，Y，Z軸的分速度不同以及其重力的影響，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)軌跡差異顯著，其兩股霧流間的間距隨著角度的增大而增大，使得霧化效果不佳，霧化區(qū)域面積較小;當(dāng)水流入射角為60°，75°時(shí)，其霧流間的間距也隨之減小;當(dāng)水流入射角為60°時(shí)，其霧粒分散度以及霧化濃度都相對(duì)較大，且能達(dá)到可觀的霧化距離和較佳霧化效果。

3.2射程變化規(guī)律

在定水泵功率、定風(fēng)機(jī)功率變噴嘴出水口直徑的工況下，根據(jù)噴嘴出水口直徑為2，4，6，8和10 mm所對(duì)應(yīng)的入射水射程繪制射程隨噴嘴出水口直徑變化規(guī)律曲線，如圖7所示。由圖可知，當(dāng)噴嘴出水口直徑為4 mm時(shí)，入射水射程最遠(yuǎn)，可遠(yuǎn)達(dá)40 m.

在定水泵、定風(fēng)機(jī)功率變水流入射角的工況下，根據(jù)水流入射角為0°，15°，30°，45°，60°和75°所對(duì)應(yīng)的入射水射程繪制射程隨入射角變化規(guī)律曲線，如圖8所示。觀察圖中變化趨勢(shì)可知，當(dāng)水流入射角為60°即入射水與入射空氣夾角為60°時(shí)，在其兩者相互沖擊作用下，使得入射水與入射空氣在軸線處的合速度達(dá)到最大，從而得到最大的射程距離，為30 m.

通過(guò)以上分析可知，改變噴嘴出水口直徑、入射水與入射空氣夾角等參數(shù)，能改善遠(yuǎn)程風(fēng)送式噴霧機(jī)的霧粒分布與射程情況，從而達(dá)到較好的效果。

3.3最優(yōu)工況結(jié)果分析

綜合上述模擬結(jié)果，在變噴嘴出水口直徑工況下，得出噴嘴出水口直徑為4 mm時(shí)，霧化效果最佳，射程最遠(yuǎn)。在變水流入射角工況下，得出水流入射角為60°時(shí)，達(dá)到較好的霧化效果。在這2個(gè)最優(yōu)工況的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)風(fēng)機(jī)額定功率為13 kW，水泵壓強(qiáng)為4 MPa，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速為40 m/s，噴嘴出水口直徑為4? mm，入射水速度為27.8 m/s以及水流入射角為60°的條件下進(jìn)行模擬分析。如圖9所示，得出霧粒運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)軌跡差異較小，受到水流速度在X，Y，Z軸的分速度不同以及其重力的影響不大，其兩股霧流間的間距明顯變小，霧粒分散度以及霧化濃度相對(duì)較大，且增大了霧化區(qū)域面積，得到了較理想霧化效果和射程，最遠(yuǎn)的霧粒射程可達(dá)41 m.

4結(jié)論

1）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，噴嘴出水口直徑和水流入射角對(duì)霧化除塵效果及射程具有重要影響，噴嘴出水口直徑和水流入射角在定水泵功率和定風(fēng)機(jī)功率條件下存在最佳值;

2）在當(dāng)前定水泵功率和定風(fēng)機(jī)功率條件下，改變噴嘴出水口直徑，出水口直徑為4 mm時(shí)，其入射水的射程達(dá)到最大，且霧粒分散度以及霧粒分布密度也相對(duì)較大，可以得到較理想的霧化除塵效果;

3）在當(dāng)前定水泵功率和定風(fēng)機(jī)功率條件下，改變噴嘴水流入射角，隨著噴嘴水流入射角的增加，入射水射程逐漸增加，霧粒分布分散度也逐漸增加。水流入射夾角α為60°時(shí)，射程最大，霧粒分散度以及分布密度也相對(duì)較大，霧化除塵效果較佳;

4）整個(gè)射流流場(chǎng)受到風(fēng)機(jī)出風(fēng)口速度和入射水速度差值大小以及噴嘴出風(fēng)口直徑的影響，存在最佳匹配值，在文中研究中，噴嘴出水口直徑為4 mm，水流入射角為60°時(shí)，霧化除塵效果最佳。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]Fox R D，Derksen R C，Zhu H，et al.History of airblast sprayer development and future prospects[J].2008，51（2）：405-410.

[2]王寶玉.哈爾烏素露天煤礦降塵措施[J].露天采礦技術(shù)，2016，31（1）：78-80，83.

WANG Baoyu.Dustsuppression measures in Ha’erwusu openpit coal mine[J].Opencast Mining Technology，2016，31（1）：78-80，83.

[3]劉輝輝，鄒偉，徐超.煤礦綜采面噴霧除塵機(jī)理[J].山東煤炭科技，2010（2）：212-213.

LIU Huihui，ZOU Wei，XU Chao.Spray dedusting mechanism of fully mechanized coal mining face[J].Shandong Coal Science and Technology，2010（2）：212-213.

[4]Schmehl R.Advanced modeling of droplet deformation and breakup for CFD analysis of mixture preparation[J].American Journal of Veterinary Research，2002，51（9）：1459-1463.

[5]Salyani M，Koo Y M，Sweeb R D.Spray application variables affect air velocity and deposition characteristics of a tower sprayer[J].Proceedings of the Florida State Horticultural Society，2017，35（1）：416-425.

[6]Farooq M，Salyani M.Spray penetration into the citrus tree canopy from two aircarrier sprayers[J].Transactions of the Asae Online，2002，45（5）：732.

[7]Salyani M，F(xiàn)arooq M，Sweeb R D.Spray deposition and mass balance in citrus orchard applications[J].Transactions of the Asabe，2007，50（6）：1963-1969.

[8]戴奮奮.風(fēng)送噴霧機(jī)風(fēng)量的選擇與計(jì)算[J].植物保護(hù)，2008，34（6）：124-127.

DAI Fenfen.Selection and calculation of the blowing rate of airassisted sprayers[J].Plant Protection，2008，34（6）：124-127.

[9] Pergher G，Gubiani R，Srs C，et al.Assessment of spray deposition and recycling rate in the vineyard from a new type of airassisted tunnel sprayer[J].Crop Protection，2013，45（3）：6-14.

[10]Lee S，Park S.Spray atomization characteristics of a GDI injector equipped with a grouphole nozzle[J].Fuel，2014，137：50-59.

[11]Qiu B，Ma J，Deng B，et al.Experiment on mixing performance of online mixing spray system[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2014，30（17）：78-85.

[12]Whitney J D，Salyani M，Churchill D B，et al.A field investigation to examine the effects of sprayer type，ground speed，and volume rate on spray deposition in Florida citrus[J].Journal of Agricultural Engineering Research，1989，42（4）：275-283.

[13]Payri R，Tormos B，Salvador F J，et al.Spray droplet velocity characterization for convergent nozzles with three different diameters[J].Fuel，2008，87（15-16）：3176-3182.

[14]王寶中， 孫秋爽.井下除塵器組合噴嘴噴霧效果分析[J].機(jī)床與液壓，2017（4）： 72-75，114.

WANG Baozhong，SUN Qiushuang.Spray effect analysis of the multijet[J].Machine Tool & Hydraulics，2017，45（4）：72-75，114.

[15]楊敏官，閆龍龍，王育立，等.噴嘴入口條件對(duì)微液滴生成的影響[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，33（3）：226-232.

YANG Minguan，YAN Longlong，WANG Yuli，et al.Effects of nozzle inlet conditions on micro-droplet formation[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering， 2015， 33（3）：226-232.

[16]Endalew A M，Debaer C，Rutten N，et al.A new integrated CFD modelling approach towards airassisted orchard spraying[J].Computers & Electronics in Agriculture，2010，71（2）：128-136.

[17]何雄奎，何娟.果園噴霧機(jī)風(fēng)速對(duì)霧滴的沉積分布影響研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18（4）：75-77.

HE Xiongkui，HE Juan.Effect of wind velocity from orchard sprayer on droplet deposit and distribution[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2002，18（4）：75-77.

[18]陳建澤，宋淑然，孫道宗，等.遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)氣流場(chǎng)分布及噴霧特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（24）：72-79.

CHEN Jianze，SONG Shuran，SUN Daozong，et al.Test on airflow field and spray characteristics for longrange airblast sprayer[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2017，33（24）：72-79.

[19]趙麗娟，田震，王野.采煤機(jī)外噴霧系統(tǒng)數(shù)值模擬研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（6）：1172-1176.

ZHAO Lijuan，TIAN Zhen，WANG Ye.Numerical simulation of shearer external spray system[J].Journal of China Coal Society，2014，39（6）：1172-1176.

[20]陳曦，葛少成.基于Fluent軟件的高壓噴霧捕塵技術(shù)數(shù)值模擬與應(yīng)用[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，23（8）：144-149.

CHEN Xi，GE Shaocheng.Numerical simulation of highpressure spray coal dust capture technology based on fluent software and its application[J].China Safety Science Journal，2013，23（8）：144-149.

[21]Lefebvre A H，Wang X F，Martin C A.Spray characteristics of aeratedLiquid pressure atomizers[J].Journal of Propulsion & Power，2011，4（4）：293-298.

[22]Sumner P E. Experiences with pecan air blast sprayers[C]//2004 ASAE Annual Meeting.American Society of Agricultural and Biological Engineers，041089.

[23]湯伯敏，林光武，高崇義，等.二相流噴霧技術(shù)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17（5）：59-62.

TANG Bomin，LIN Guangwu，GAO Chongyi，et al.Study on twophase flow spraying technique[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2001，17（5）：59-62.

[24]林鴻亮，劉道銀，劉猛，等.噴嘴霧化特性的試驗(yàn)及數(shù)值模擬[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2015，35（12）：998-1005.

LIN Hongliang，LIU Daoyin，LIU Meng，et al.Experimental study and numerical simulation on spray characteristics of different nozzles[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering，2015，35（12）：998-1005.

[25]劉明嘉.噴霧液滴撞壁模擬研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

LIU Mingjia.The study and simulation of the behavior of a droplet during the spray wall impingement[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2012.

[26]魏南.氣液兩相流噴嘴的射流霧化機(jī)理的研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2014.