基于CFD 的縱向旋流噴嘴參數優(yōu)化

張澤鵬，潘 越，楊 帆，馬 浩

（河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲056000）

采掘工作面是煤礦井下最主要的產塵場所之一，其防塵和降塵難度都相對較大，粉塵濃度過高不僅給職工帶來塵肺病等身體危害，同時也嚴重影響礦井的安全生產[1-3]。目前壓力噴霧是國內外普遍采用的有效濕式降塵方式，噴嘴作為噴霧系統(tǒng)的核心部件，是決定降塵好壞的關鍵因素[4-6]。近年來，由于離心式噴嘴使用便捷、霧化面積大等特點被國內大多數煤礦推廣使用，但是在實際應用中，傳統(tǒng)旋流噴嘴耗水量大、易磨損，霧化效果并不是很好，同時綜采工作面采煤機和液壓支架等設備噴霧系統(tǒng)所用噴嘴數量較多，更換不便時延誤生產，會造成一定的經濟損失[7-9]?；诖?，利用FLUENT 軟件對旋流噴嘴內部流場進行數值計算，探究旋流芯不同螺旋角以及收縮段與旋流段長度比對噴霧效果的影響。

1 噴嘴結構及旋流方式

旋流芯是離心式噴嘴重要部件之一，其作用是使水進行旋轉流動，加劇水流的紊流脈動效果，促進霧化。目前噴嘴旋流方式分為切向旋流和縱向旋流，切向旋流可以產生較大的切向水流旋轉速度，從而獲得較大的霧化角，但水流通過噴嘴的出口速度和噴射距離相對較小，霧粒很容易被風流吹散，起不到降塵效果[10-11]。采用縱向旋流噴嘴可以獲得較大的水流軸向速度和動量，增加霧滴顆粒與粉塵的碰撞幾率，在采煤工作面這樣粉塵濃度較大的場所，更有利于降塵。噴嘴腔體結構如圖1，旋流方式如2 圖。噴嘴腔進口到出口依次為旋流段、過渡段和收縮段，噴嘴出口直徑1 mm，入射角60°，噴口長0.8 mm，縱向旋流芯流道截面為直徑5 mm 的圓。

圖1 噴嘴腔體結構Fig. 1 Nozzle cavity structure

圖2 旋流方式Fig. 2 Swirl mode

2 數學模型和噴嘴內部流場數值仿真設置

1）多相流模型。選擇VOF 方法為多相流計算模型，此模型是以固定歐拉網格為基礎的表面跟蹤方法，在單個容積中所有相體積分數總和為1[12-14]。對噴嘴內部流場的模擬僅涉及到氣、水2 種流體，氣體為主相，液體（水）為次相，選取液相體積分數為1時，氣相體積分數為0。

2）湍流模型。噴嘴內部流場為高湍狀態(tài)，強旋流動時會產生剪切和邊界層分離等現象，為了更準確的模擬流動狀態(tài)，選擇RNGk-e 模型作為湍流模型。

3）噴嘴內部流場網格劃分。利用SOLIDWORKS軟件建立噴嘴內部流場三維幾何模型，然后導入ICEM CFD 15.0 中劃分網格，網格模型為四面體非結構化網格，設置1 個進口和1 個出口，其余為壁面。并對出口等區(qū)域進行局部細化處理。經過檢驗最終生成的網格質量較高。

4）噴嘴內部流場邊界條件。數值模擬過程中邊界條件的定義非常關鍵，根據計算流體動力學理論知識，結合噴嘴及旋流芯結構特點對邊界條件參數進行設置，邊界條件設定見表1。

表1 邊界條件設定Table 1 Boundary condition setting

3 噴嘴內部流場數值仿真結果

運用CFD-Post 15.0 對模擬結果進行后處理分析，噴嘴內部流場三維流線如圖3，可以看出在旋流芯的作用下，流體產生強旋流動，在噴嘴收縮段區(qū)域內流體始終保持旋流狀態(tài)，增強了液滴的破碎效果。

圖3 噴嘴內部流體運動流線Fig.3 Fluid flow lines inside the nozzle

3.1 旋流芯螺旋角的影響

分別模擬25°、30°、35°、40°螺旋角的噴嘴內部流場，不同螺旋角噴嘴出口速度隨進口壓力變化趨勢如圖4，不同螺旋角噴嘴出口面湍流動能云圖如圖5。

圖4 不同螺旋角噴嘴出口速度隨進口壓力變化趨勢Fig.4 Variation trend of outlet velocity of nozzles with different spiral angles and inlet pressures

圖5 不同螺旋角噴嘴出口面湍流動能云圖Fig.5 Turbulent energy cloud at the exit surface of nozzles with different helix angles

從圖4 可以看出，同一螺旋角噴嘴出口速度隨進口壓力的增大而增大，且螺旋角為40°時增幅較為明顯，最大速度差約為22 m/s，出口速度較大，噴霧效果好。螺旋角為25°、30°、35°時，同一進口壓力下噴嘴出口速度變化基本不大。

從圖5 可以看出，隨著螺旋角的增大，出口最大湍流動能呈先增后減趨勢，在螺旋角為30°時達到最大，其湍流動能最大值為1.675 J/kg，且噴嘴出口面高速流體分布較為均勻，噴射效果較好。

3.2 收縮段與旋流段長度比的影響

分別模擬收縮段與旋流段長度比值為0.5、1、1.5 的情況，軸心速度及出口水平速度隨收縮段與旋流段比值變化趨勢如圖6。

圖6 軸心速度及出口水平速度隨收縮段與旋流段比值變化趨勢Fig.6 The trend of the axis and horizontal center velocity of the outlet with the ratio of the contraction section and the swirl section

從圖6 可以看出: 噴嘴軸心速度均呈整體增長趨勢，由于旋流的作用速度逐漸增大，在收縮段至噴嘴出口范圍內軸心速度急劇增長到一定大小后基本趨于平緩;當比值為1.5 時，流體在縮口段階梯波動較為明顯，旋流狀態(tài)不是很好，會出現一定程度的空化現象；當比值為1 時，出口水平中心速度圖較為對稱，且峰值與軸心速度圖相交，此時水流出射均勻，噴霧效果較好。

4 結 語

1）旋流芯不同螺旋角度對出口速度影響較大，在一定范圍內，適當增大螺旋角有利提高噴嘴出口速度和湍流動能，且大小與進口壓力有關，實際運用時建議螺旋角不小于30°，需要獲得較大射程時螺旋角在40°左右效果較好。

2）噴嘴收縮段與旋流段長度比對噴霧效果有一定影響，比值過大過小都不利于流體的霧化，一般取兩者比值為1 左右，即收縮段與旋流段長度相近時比較好。

3）在進口壓力為2 MPa 時，螺旋角為40°的噴嘴出口速度可達到70 m/s（相同工況下一般為50～60 m/s），現場使用時供水壓力相應降低，同時可減少耗水量，降低經濟成本。