負(fù)壓環(huán)境下飛輪造霧系統(tǒng)霧化特性試驗(yàn)研究

高冠濤，劉志超，溫小萍，方長(zhǎng)順，杜振雷

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

0 引 言

隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展，高產(chǎn)高效的大型設(shè)備大量投入到生產(chǎn)場(chǎng)所，致使環(huán)境粉塵質(zhì)量濃度升高明顯[1-2]。例如礦井井下的大型掘進(jìn)設(shè)備，使礦井下粉塵質(zhì)量濃度越來(lái)越高，不僅給生產(chǎn)安全帶來(lái)較大威脅，而且對(duì)一線生產(chǎn)人員的身體健康也造成直接危害[3-4]。本文所分析的飛輪造霧系統(tǒng)可以用于礦業(yè)采掘和爆破現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)降塵的目的。當(dāng)前，大多數(shù)生產(chǎn)場(chǎng)所選用水霧化降塵對(duì)粉塵進(jìn)行治理，因此，水霧化技術(shù)的研究具有重要意義。劉波等[5]對(duì)負(fù)壓吸氣式霧化裝置做了試驗(yàn)研究，該裝置利用射流液滴的卷吸效果降塵，驗(yàn)證了負(fù)壓吸氣式霧化裝置降塵效果的高效性；余翠蘭等[6]把霧化器和發(fā)生池組合到一起，利用負(fù)壓霧化的作用制備氣體，發(fā)現(xiàn)該裝置效果主要取決于負(fù)壓的大小，壓強(qiáng)越低，制備效率越高；徐緋等[7]對(duì)滑行狀態(tài)下的飛機(jī)輪胎濺水問(wèn)題做了探究，發(fā)現(xiàn)機(jī)輪滑跑速度對(duì)輪胎濺水角度影響顯著，證實(shí)了機(jī)輪速度對(duì)濺水情況存在影響；劉志超等[8-9]對(duì)正壓環(huán)境下的飛輪造霧霧化特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速和飛輪轉(zhuǎn)速的改變對(duì)霧滴平均直徑都有影響，而風(fēng)速影響要大于飛輪轉(zhuǎn)速的影響。

本文主要針對(duì)負(fù)壓環(huán)境下飛輪造霧系統(tǒng)的影響因素和霧化指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究。利用CFD軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析系統(tǒng)負(fù)壓區(qū)域的存在，為試驗(yàn)分析提供方向。圍繞飛輪造霧系統(tǒng)中負(fù)壓環(huán)境下飛輪個(gè)數(shù)和轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)霧化特性的影響，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)量霧滴索泰爾平均直徑、霧通量和霧場(chǎng)最大射程，以明確飛輪造霧系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)，為以后的飛輪造霧系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供一定參考。

1 飛輪造霧系統(tǒng)

搭建的飛輪造霧系統(tǒng)由3大部分組成，如圖1所示。

造霧部分主要由飛輪、電動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣口、空氣壓縮機(jī)、水槽、風(fēng)道和導(dǎo)流板組成。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)頻率控制飛輪轉(zhuǎn)速，多臺(tái)空氣壓縮機(jī)同時(shí)向系統(tǒng)側(cè)面進(jìn)氣口壓入氣流，導(dǎo)流板將引入氣流集中作用在系統(tǒng)關(guān)鍵位置。

供水部分由儲(chǔ)水箱、供水泵和控制閥組成。儲(chǔ)水箱中的水由供水泵供入造霧部分內(nèi)部，控制閥可控制水流量大小，使水面不至于從水槽溢出。

1-導(dǎo)流板；2-飛輪；3-水槽；4-傳動(dòng)帶；5-電動(dòng)機(jī)；6-空氣壓縮機(jī)；7-進(jìn)氣口；8-風(fēng)道；9-儲(chǔ)水箱；10-供水泵；11-控制閥；12-LS-2000分體式激光粒度儀(激光發(fā)射箱)；13-LS-2000分體式激光粒度儀(激光接收箱)；14-計(jì)算機(jī)

測(cè)量部分主要由LS-2000分體式激光粒度儀(激光發(fā)射箱、激光接收箱)、計(jì)算機(jī)和相關(guān)計(jì)算處理軟件組成。

在風(fēng)道壁設(shè)置8個(gè)進(jìn)氣口，由多臺(tái)空氣壓縮機(jī)供氣，在系統(tǒng)內(nèi)部形成負(fù)壓區(qū)域。飛輪固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，系統(tǒng)側(cè)面可以打開(kāi)用以拆卸飛輪，從而改變飛輪個(gè)數(shù)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，可以提供不同的轉(zhuǎn)速。飛輪下方設(shè)有水槽，用于容納由儲(chǔ)水箱和供水泵供入的水。飛輪下方圓周浸入水槽水面以下，當(dāng)飛輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于摩擦力和黏性力的作用，飛輪圓周表面會(huì)附有一層水膜，轉(zhuǎn)動(dòng)的飛輪將水膜帶離水面，由于離心力的作用水膜會(huì)脫離飛輪進(jìn)入風(fēng)道，破碎成為液絲或液滴。進(jìn)入風(fēng)道的液絲或液滴受到氣流的剪切力作用，形成直徑更小的霧滴，霧滴隨風(fēng)流輸出系統(tǒng)。

2 輪周上液膜受力分析

如圖2所示，飛輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，對(duì)隨飛輪旋轉(zhuǎn)的液膜進(jìn)行受力分析，其受力情況可簡(jiǎn)化為沿飛輪法向的壓力P和沿飛輪切向的黏性力τ，其中壓力P可以分解為水平力Px和水平力Py，而Px可以形成向前方向的噴濺，Py對(duì)水體向下擠壓可以形成側(cè)面方向的噴濺，黏性力τ使水膜附在飛輪圓周表面，最后形成卷甩噴濺，這也是本系統(tǒng)所利用的重要部分。

圖2 輪周上液膜受力分析圖

3 模型建立與仿真分析

3.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

如圖3所示，利用ANSYS ICEM軟件建立飛輪造霧系統(tǒng)三維簡(jiǎn)化模型。

圖3 飛輪造霧系統(tǒng)三維模型

本模型根據(jù)飛輪造霧系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)畫出三維簡(jiǎn)化模型，主要模擬負(fù)壓區(qū)域的形成，模型包括系統(tǒng)進(jìn)口、導(dǎo)流板、飛輪、水槽、進(jìn)氣口、風(fēng)道和系統(tǒng)出口。模型x軸長(zhǎng)度為950 mm，y軸長(zhǎng)度為350 mm，z軸長(zhǎng)度為350 mm。

利用ANSYS ICEM軟件對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。由于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邊界條件的復(fù)雜性，采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分該模型。劃分時(shí)，建立4層邊界層網(wǎng)格，以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。因?yàn)檫M(jìn)氣口及其周圍是關(guān)鍵位置，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格加密細(xì)化。

圖4 模型網(wǎng)格劃分

3.2 參數(shù)設(shè)置

選擇合適的FLUENT軟件模型。因?yàn)楸痉抡婺Ｐ褪峭耆牧髁鲌?chǎng)，且不存在強(qiáng)旋流流動(dòng)，所以選擇標(biāo)準(zhǔn)к-ε模型就可以滿足仿真要求[10-12]。標(biāo)準(zhǔn)к-ε模型控制方程為

Gκ+Gb-ρε-YM，

(1)

(2)

(3)

(4)

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

3.3 仿真分析

模型邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件的設(shè)置及定義

經(jīng)過(guò)FLUENT計(jì)算和CFD-Post處理后,得到結(jié)果如圖5～6所示，圖5為在系統(tǒng)模型XY平面上選取Z=0 mm的切面，顯示經(jīng)過(guò)計(jì)算后空氣在該切面上的壓力云圖；圖6為YZ平面上選取X=450 mm、X=700 mm和X=900 mm 3個(gè)切面，顯示經(jīng)過(guò)計(jì)算后空氣在這3個(gè)切面上的壓力云圖。

圖5 中間切面上的壓力云圖

如圖5所示，中間面顯示,風(fēng)道下游相較于其他區(qū)域形成了負(fù)壓區(qū)域，該區(qū)域位于進(jìn)氣口下游、水槽后方，是飛輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)將水膜經(jīng)初次破碎后卷甩進(jìn)入的重要區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)破碎后的水膜進(jìn)行二次破碎。如圖6所示，3個(gè)截面壓力分布不相同，由平面1(Plane1)到平面3(Plane3)是負(fù)壓區(qū)域發(fā)展形成的過(guò)程，平面1只有少部分處于負(fù)壓值，平面2已經(jīng)大部分處于負(fù)壓值，平面3則已經(jīng)全部處于負(fù)壓值，與圖5顯示結(jié)果相契合。

圖6 3個(gè)切面上的空氣壓力圖

這種形成負(fù)壓的方法與比較常見(jiàn)的負(fù)壓形成方法原理相同，均為負(fù)壓引流法，見(jiàn)文獻(xiàn)[5]和[6]。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬，在風(fēng)道下游段可以形成負(fù)壓，為試驗(yàn)提供了進(jìn)行方向。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，在風(fēng)道下游段驗(yàn)證了負(fù)壓的存在。

4 試 驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)工廠進(jìn)行試驗(yàn)，周圍無(wú)風(fēng)，盡量保持在氣流無(wú)劇烈流動(dòng)環(huán)境下進(jìn)行。溫度為環(huán)境溫度，選擇水源為自來(lái)水，飛輪按照均勻間隔排列。設(shè)置飛輪轉(zhuǎn)速分別為600，900，1 200，1 500，1 800 r/min，飛輪個(gè)數(shù)以1個(gè)飛輪開(kāi)始，逐次遞增到4個(gè)飛輪。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

利用LS-2000分體式激光粒度儀測(cè)量霧滴索泰爾平均直徑(SMD)，SMD是霧場(chǎng)所有霧滴體積之和與所有霧滴表面積之和的比，其公式如式(5)[13]所示。SMD越小表示霧化效果越好。

(5)

式中：DSMD為索泰爾平均直徑；Ni為霧滴顆粒個(gè)數(shù)；di為霧滴直徑。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

霧滴SMD隨飛輪轉(zhuǎn)速及個(gè)數(shù)的變化情況如圖8所示。以1個(gè)飛輪工況為例，當(dāng)轉(zhuǎn)速600 r/min時(shí)，測(cè)量的霧滴SMD為195.4 μm；轉(zhuǎn)速提高到900 r/min時(shí)，霧滴SMD減小至186.9 μm；轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高至1 200 r/min時(shí)，霧滴SMD達(dá)到最小，為88.6 μm；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高至1 500 r/min，霧滴SMD明顯增大，達(dá)到131.1μm，而轉(zhuǎn)速達(dá)到最大轉(zhuǎn)速1 800 r/min時(shí)，霧滴SMD繼續(xù)增大。這說(shuō)明，當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸提高時(shí)，霧滴SMD逐漸減小，霧化效果越來(lái)越好，轉(zhuǎn)速提高至1 200 r/min時(shí)，霧滴SMD達(dá)到了最小，霧化效果也最好；轉(zhuǎn)速高于1 200 r/min，霧滴SMD逐漸增大，霧化效果變差。不同飛輪個(gè)數(shù)情況下，隨著飛輪轉(zhuǎn)速的提高，霧滴SMD均呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)。圖8也顯示出同一飛輪轉(zhuǎn)速工況下，飛輪個(gè)數(shù)的變化對(duì)霧滴SMD的影響較小。

圖8 飛輪轉(zhuǎn)速對(duì)霧滴SMD的影響

圖9所示為霧通量隨飛輪轉(zhuǎn)速的變化曲線。以1個(gè)飛輪的工況為例，在飛輪轉(zhuǎn)速600 r/min時(shí)，霧通量為6.7 mL·m-2·s-1；轉(zhuǎn)速900 r/min時(shí)，霧通量為8.5 mL·m-2·s-1；轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)，霧通量達(dá)到9.3 mL·m-2·s-1；轉(zhuǎn)速增至1 500 r/min時(shí)，霧通量為11.4 mL·m-2·s-1；轉(zhuǎn)速增至1 800 r/min，霧通量達(dá)到12.7 mL·m-2·s-1。霧通量隨轉(zhuǎn)速的增大而增大的趨勢(shì)明顯，基本呈現(xiàn)線性增大的變化規(guī)律。這是因?yàn)橛捎陲w輪轉(zhuǎn)速的增大，圓周表面的線速度增大，使單位時(shí)間內(nèi)圓周表面過(guò)水面積增大，所以導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)被帶離水面的水膜量增大，最終表現(xiàn)為霧通量隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。

圖9 霧通量與飛輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖10所示為霧通量隨飛輪個(gè)數(shù)的變化曲線。在相同飛輪轉(zhuǎn)速條件下，霧通量隨著飛輪個(gè)數(shù)的增多而增大。這是因?yàn)橄鄬?duì)于1個(gè)飛輪而言，2個(gè)飛輪工況時(shí)，同種條件下單位時(shí)間內(nèi)被帶離水面的水膜量基本上就是1個(gè)飛輪時(shí)的2倍，所以變化曲線基本呈現(xiàn)倍級(jí)增大的趨勢(shì)。

圖10 霧通量與飛輪個(gè)數(shù)的關(guān)系

圖11為飛輪轉(zhuǎn)速與最大射程的關(guān)系曲線。最大射程與飛輪轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系不盡相同，但總的變化趨勢(shì)是隨飛輪轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大。從圖11中還可以看出，最大射程與飛輪個(gè)數(shù)變化關(guān)系并不明顯。

圖11 射程與飛輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系

5 結(jié) 論

(1)負(fù)壓環(huán)境下，該系統(tǒng)霧滴SMD隨飛輪轉(zhuǎn)速的變化呈現(xiàn)出先減小后增大的變化關(guān)系，在飛輪轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，霧滴SMD達(dá)到最小，為88.6 μm，這種變化與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)系；霧滴SMD與飛輪個(gè)數(shù)變化關(guān)系不明顯。

(2)霧通量與飛輪轉(zhuǎn)速及飛輪個(gè)數(shù)變化關(guān)系明顯，霧通量隨著飛輪轉(zhuǎn)速增大而增大，隨著飛輪個(gè)數(shù)增多而增大，且飛輪個(gè)數(shù)影響更明顯。

(3)最大射程隨飛輪轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，最大射程與飛輪個(gè)數(shù)變化關(guān)系不明顯。