飛輪造霧系統(tǒng)中導(dǎo)流板對霧滴粒徑影響的數(shù)值模擬

劉志超，高冠濤，溫小萍，方長順，杜振雷

(河南理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

粉塵是井下主要危害物之一，不但影響著采礦安全生產(chǎn)，而且也影響著井下作業(yè)人員的身體健康[1]。霧化除塵技術(shù)可以有效遏制粉塵的擴(kuò)散，研究不同工況下水的霧化特性對降塵除塵有著重要的意義。關(guān)于水的霧化特性研究，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的工作。嚴(yán)春吉等[2]對液體射流在旋轉(zhuǎn)氣體中分裂破碎機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)液體Weber數(shù)對射流的破碎過程有穩(wěn)定性作用，自由界面上的表面張力能夠促進(jìn)液膜的破碎；程衛(wèi)民等[3]研究了噴嘴噴霧壓力與霧化粒度的關(guān)系，結(jié)果表明，噴嘴霧場軸心處霧化粒徑最小，霧場向邊緣處形成霧滴逐漸增大，小直徑噴嘴受壓力影響明顯；王鵬程等[4]對離心式霧化器的霧化特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)霧滴粒徑隨離心式霧化器旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速增大而減?。恢芙艿萚5]對利用導(dǎo)流分割的方法對軸流式霧化機(jī)流場的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流分割的方法可以顯著提高出風(fēng)口的風(fēng)速；余明高等[6]對帶荷電細(xì)水霧滅火特性做了研究，發(fā)現(xiàn)荷電能夠降低液體的表面張力和霧化阻力，并且?guī)в型N極性電荷的細(xì)水霧不易凝聚；李勇等[7]對導(dǎo)流板在旋風(fēng)-濾袋復(fù)合除塵器中的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板對氣流分布起到了很好的改善作用；A.Ozer等[8]通過建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對霧化噴嘴的霧化特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)CFD可以很好地模擬噴嘴霧化效果。

以上國內(nèi)外學(xué)者主要對噴嘴的霧化特性進(jìn)行了試驗研究和數(shù)值模擬，本文則對霧化系統(tǒng)的導(dǎo)流板開展研究工作。飛輪造霧系統(tǒng)是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪和風(fēng)速達(dá)到霧化的目的，導(dǎo)流板的設(shè)置可以使風(fēng)流作用在關(guān)鍵位置。CFD對霧化效果有不錯的仿真預(yù)測作用，為了降低生產(chǎn)成本和時間限制，本文利用CFD建立三維模型，設(shè)置多種工況，對導(dǎo)流板的影響進(jìn)行探究。

1 除塵細(xì)水霧粒徑范圍選擇

Stockes沉速公式為

v=κgr2(d1-d2)/μ，

(1)

式中：v為顆粒的沉速，m/s；g為重力加速度，m/s2；r為顆粒直徑，m；d1，d2分別為顆粒相對密度和空氣相對密度；μ為空氣黏滯度，kg/(m·s)；к為形狀系數(shù)。

由式(1)可知，增大粉塵顆粒直徑和相對密度是加快粉塵沉降的有效方法。通過水霧濕潤粉塵顆粒，第一可以增加粉塵顆粒的質(zhì)量，第二可以聚集粉塵顆粒增大粒徑，迫使粉塵加速沉降。由此，粉塵顆粒通過水霧聚合在一起，形成大顆粒，增大顆粒直徑，可使粉塵加速沉降[9-12]。根據(jù)以往的研究結(jié)果，細(xì)水霧的粒徑越小，捕捉粉塵的能力越好，但其沉降效果會變差，這是因為細(xì)水霧的粒徑越小，蒸發(fā)時間會變短，導(dǎo)致粉塵在沉降過程中會恢復(fù)至環(huán)境中的懸停狀態(tài)。選擇細(xì)水霧的粒徑50～100 μm，以此作為霧滴粒徑優(yōu)化目標(biāo)。

2 飛輪造霧系統(tǒng)

如圖1所示，在飛輪造霧系統(tǒng)中，飛輪由電動機(jī)提供動力，可以實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速。由電動機(jī)帶動的風(fēng)機(jī)可以提供不同風(fēng)速，導(dǎo)流板的設(shè)置可以使風(fēng)流作用在關(guān)鍵位置。風(fēng)道內(nèi)部下方設(shè)置一個水槽，由水泵從水箱供水。飛輪固定在水槽上方的轉(zhuǎn)軸上，飛輪輪周與水槽內(nèi)水面相接觸。飛輪高速轉(zhuǎn)動且表面粗糙，由于慣性力作用會在飛輪輪周表面附著一層薄薄的水膜，經(jīng)離心力作用水膜脫離輪周，進(jìn)入風(fēng)道，由于與空氣有速度差，液膜破碎成小條狀或絲狀，實現(xiàn)一次霧化過程；液條或液絲進(jìn)入風(fēng)道，在高速氣流的作用下進(jìn)行二次霧化，液條或液絲進(jìn)一步被撕裂、破碎形成水霧，隨風(fēng)被吹出風(fēng)道。

1-風(fēng)機(jī)；2-風(fēng)道；3-飛輪；4-水槽；5-水箱；6-水泵；7-安全閥；8-導(dǎo)流板

3 仿真分析

為了更好地計算飛輪造霧系統(tǒng)的霧化特性，達(dá)到仿真目的，利用ANSYS ICEM CFD建立飛輪造霧系統(tǒng)主體三維模型，如圖2所示。對該三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且采用混合網(wǎng)格的形式提高計算精度。最后，導(dǎo)入ANSYS FLUENT中模擬。

圖2 系統(tǒng)主體三維模型

仿真模擬是否合理，關(guān)鍵在于模型選擇和邊界條件的設(shè)置。因為本仿真模型是完全湍流流場，不存在強(qiáng)旋流流動，所以選擇標(biāo)準(zhǔn)к-ε模型就可滿足仿真要求。該模型應(yīng)用范圍比較廣泛，可以得到合理的仿真結(jié)果[13-15]。標(biāo)準(zhǔn)к-ε模型是兩個方程的模型，以к和ε為變量，輸運方程為

Gκ+Gb-ρε-YM，

(2)

C1εGκε/κ-C2ερε2/κ

(3)

μt=ρCμκ2/ε，

(4)

(5)

式中：ρ為密度，kg/m3；κ為湍流動能，J；ε為湍流動能耗散率；μt為湍流黏性系數(shù)；Gк為平均速度梯度引起的湍流動能，J；C1ε,C2ε,Cμ,σк,σε為模型常量，分別為1.44，1.92，0.09，1.0和1.3。

計算過程中空氣和霧滴采用稠密離散相模型(dense discrete phase model,DDPM)，空氣為第一相，水為第二相。稠密離散相模型是一種基于Eulerian-Lagrangian的雙流體模型，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測流體的流動。

具體計算方法采用wave波動破碎模型[16]。

4 結(jié)果及討論

為了探究導(dǎo)流板對飛輪造霧系統(tǒng)出口霧滴粒徑的影響，設(shè)置多種導(dǎo)流板安裝角度，分別為0°，30°，35°，40°，45°，50°。固定飛輪轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，設(shè)置風(fēng)速為9，11，13 m/s共3種工況，系統(tǒng)尺寸保持不變。圖3為安裝角度0°時內(nèi)部流場的速度流線圖，圖4為出口霧滴速度分布。

圖3 導(dǎo)流板0°時內(nèi)部流場的速度流線圖

圖5為3種不同風(fēng)速下，不同導(dǎo)流板安裝角度對霧滴平均粒徑的影響對比。當(dāng)風(fēng)速不變時，以0°情況為空白參照，導(dǎo)流板安裝角度由30°增大至50°的過程中，系統(tǒng)出口霧滴平均粒徑隨著導(dǎo)流板安裝角度的增大而減小，且均比0°時的霧

圖4 出口處水平方向霧滴速度分布

圖5 導(dǎo)流板安裝角度對霧滴粒徑的影響

化有不同程度的改進(jìn)。特別是導(dǎo)流板安裝角度50°時，霧滴平均粒徑減到最小，影響明顯。導(dǎo)流板安裝角度對系統(tǒng)霧滴粒徑的影響不盡相同，顯然，導(dǎo)流板安裝角度為0°時，3種工況條件下出口霧滴平均粒徑都最大，而安裝角度為50°時，3種工況條件下，出口霧滴平均粒徑均為最小。

當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速固定，且風(fēng)速一定時，隨著導(dǎo)流板的安裝角度由30°增大至50°時，風(fēng)道受導(dǎo)流板作用，過流斷面減小，高速氣流經(jīng)過導(dǎo)流板時，流速提高并作用在關(guān)鍵位置，使經(jīng)過一次霧化過程的液條或液絲被破碎成為霧滴，這個過程提高了二次霧化的霧滴破碎程度。

如圖6所示，在一定范圍內(nèi)，導(dǎo)流板安裝角度保持不變時，隨著風(fēng)速的增大，液滴所受的剪切力增大，液滴被破裂成粒徑更小的霧滴?？梢灾溃瑢?dǎo)流板的作用在于提高風(fēng)流流速，間接增大了對霧滴的剪切力。

圖6 風(fēng)速對霧滴粒徑的影響

圖7為風(fēng)速11 m/s、安裝角度50°工況下，系統(tǒng)出口霧滴粒徑大小分布。此工況下霧滴粒徑平均85.6 μm，最小45.2 μm，最大107.6 μm，且多數(shù)霧滴粒徑為50～100 μm。

圖7 風(fēng)速11 m/s時出口霧滴粒徑分布圖

圖8 風(fēng)速13 m/s時出口霧滴粒徑分布圖

圖8為風(fēng)速13 m/s、安裝角度50°工況下，系統(tǒng)出口霧滴粒徑大小分布。此工況下霧滴平均粒徑72.7 μm，最小粒徑27.3 μm，最大粒徑102.1 μm，且多數(shù)霧滴粒徑在50～100 μm間。

為了更好地展示飛輪造霧系統(tǒng)的霧化過程，對風(fēng)速9 m/s、飛輪轉(zhuǎn)速1 400 r/min、導(dǎo)流板安裝角度0°的工況進(jìn)行可視化分析，如圖9所示。

飛輪造霧系統(tǒng)的霧化是隨著時間推移逐漸發(fā)展、逐漸霧化的一個過程。0.1～0.2 s，飛輪高速旋轉(zhuǎn)把水由水槽甩到風(fēng)道內(nèi)進(jìn)行一次霧化；0.3～0.4 s，經(jīng)過飛輪一次霧化的液滴經(jīng)高速流動的空氣撕裂破碎進(jìn)行二次霧化；0.5～0.6 s，經(jīng)過一次和二次霧化后形成的水霧到達(dá)系統(tǒng)出口；0.7～0.8 s是進(jìn)一步發(fā)展和霧化的過程。

5 試驗結(jié)果

為了驗證仿真預(yù)測結(jié)果的可靠性，建造實驗平臺，針對導(dǎo)流板50°安裝角度對系統(tǒng)粒徑分布的影響進(jìn)行試驗研究。通過對3種工況試驗結(jié)果進(jìn)行分析，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果變化趨勢基本相同。但試驗結(jié)果和模擬結(jié)果具體數(shù)值存在一定差異，出現(xiàn)這種差異原因主要有兩點：一是模型簡化計算與實際試驗有差異；二是試驗中存在誤差。經(jīng)過數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，顯示出模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有良好的相關(guān)性，這為以后的工作改進(jìn)提供了參考。

圖9 霧化過程隨時間的分布

6 結(jié) 論

(1)對于該飛輪造霧系統(tǒng)，導(dǎo)流板的合理設(shè)置對霧滴粒徑減小有促進(jìn)作用，導(dǎo)流板的安裝角由30°增大至50°的過程中，霧滴粒徑逐漸減小。

(2)綜合模擬結(jié)果和試驗結(jié)果，當(dāng)導(dǎo)流板安裝角50°、風(fēng)速13 m/s時，系統(tǒng)出口霧滴平均粒徑減到最小，且多數(shù)霧滴粒徑分布在50～100 μm間；模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的變化趨勢基本相同，且兩者具有良好的相關(guān)性。