單級(jí)沖擊采樣器切割頭氣流特性及切割粒徑研究

吳政江 彭小勇 陳麗園

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

慣性沖擊采樣器是一種測(cè)量空氣中顆粒物濃度的裝置。切割頭是采樣器內(nèi)部非常重要的構(gòu)件，作用為進(jìn)行細(xì)顆粒物的分級(jí)和采樣。2006 年，國(guó)內(nèi)學(xué)者劉運(yùn)席等[1]設(shè)計(jì)出七級(jí)不同粒徑范圍的顆粒物采樣器，并增加了旋轉(zhuǎn)收集功能，使得顆粒物收集更加均勻，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)采樣器研究領(lǐng)域的空白。2013 年孫奇等[2]通過(guò)研究撞擊效率與無(wú)量綱數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)常規(guī)撞擊采樣器對(duì)高溫顆粒的粘附效果更好。

為研究切割頭噴嘴伸入空腔內(nèi)對(duì)切割效率的影響，本文建立了噴嘴處不同的兩種結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)分析切割器內(nèi)部流場(chǎng)和無(wú)量綱數(shù)曲線來(lái)探究噴嘴處結(jié)構(gòu)對(duì)捕捉效率的影響機(jī)理。

1 物理模型及數(shù)值方法

圖1 給出了單級(jí)沖擊采樣器切割頭物理模型，其中圖1（a）為模型1（噴嘴末端平齊模型外壁），具體尺寸為：空氣入口直徑4 mm，空氣入口漸縮段小口直徑2 mm，管長(zhǎng)16 mm，噴嘴到?jīng)_擊板的距離為6 mm，捕捉面直徑為10 mm，沖擊板直徑為15 mm，外壁直徑18 mm，空氣出口處直徑10 mm，長(zhǎng)度12 mm。圖1（b）為模型2（噴嘴末端向下延伸），模型二尺寸與模型一基本相同，噴嘴處有所差異，噴嘴向下延伸2 mm。

圖1 沖擊采樣器切割頭物理模型

采樣器內(nèi)部空氣流動(dòng)滿足低速不可壓縮湍流流動(dòng)，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε 模型。采用離散項(xiàng)模型（DPM）對(duì)顆粒物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。采用穩(wěn)態(tài)壓力基求解器，速度與壓力基的耦合選用SIMPLE 算法，動(dòng)量、能量和湍動(dòng)能均采用一階迎風(fēng)的差分格式進(jìn)行離散。單級(jí)沖擊采樣器切割頭邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1，其中沖擊板上有捕捉面用于捕捉顆粒物，其表面較為粗糙，在實(shí)際使用時(shí)會(huì)均勻涂抹凡士林來(lái)防止顆粒物反混，故捕捉面DPM 項(xiàng)設(shè)為Trap。為得到較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果及較快的收斂速度，對(duì)噴嘴、捕捉面及沖擊板周圍進(jìn)行局部加密，所有網(wǎng)格都采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并采用O 型網(wǎng)格劃分方式。網(wǎng)格數(shù)量約為80 W，質(zhì)量均在0.65 以上。

表1 邊界條件設(shè)置

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 切割頭流場(chǎng)分析

在模型中心進(jìn)行XOY 面切片，對(duì)入口速度為7 m/s 的速度流線圖進(jìn)行分析，如圖2?？諝怆x開(kāi)噴嘴后貼近沖擊板壁面流動(dòng)，兩模型在捕捉面附近的速度流線無(wú)明顯差異。

圖2 速度流線圖及局部放大圖

為進(jìn)一步分析，分別在模型一、模型二XOY 平面取三條觀測(cè)線段（X 取值為（-1.5，1.5），見(jiàn)圖4）：分別位于捕捉面上方0.85 mm、0.45 mm、0.05 mm 處。觀測(cè)線2 位于捕捉面往上0.45 mm 處、觀測(cè)線3 位于捕捉面往上0.05 mm 處。每條線段長(zhǎng)3 mm，分等距取31 個(gè)點(diǎn)繪制速度曲線圖。觀測(cè)線位置見(jiàn)圖3，觀測(cè)線速度曲線見(jiàn)圖4。

圖3 觀測(cè)線示意圖

由圖4 可知，隨著高度的減小，在靠近捕捉面的位置，模型二中心處的速度比模型一小，隨坐標(biāo)位置的向外移動(dòng)兩個(gè)模型速度均有所增大，且模型二增速更快，在與噴嘴管徑相同坐標(biāo)位置的時(shí)候，即X=-1 mm 和X=1 mm 處，兩個(gè)模型速度相同。而后，坐標(biāo)越遠(yuǎn)離中心位置，模型二外側(cè)速度大于模型一，且差值逐漸增大。模型二曲線曲率較大，速度改變較快，根據(jù)慣性撞擊原理，顆粒物不易克服慣性改變運(yùn)動(dòng)軌跡從而撞擊在捕捉面上，因此模型二對(duì)于顆粒物捕捉效果更好。

圖4 觀測(cè)線速度曲線圖

2.2 顆粒物軌跡分析

設(shè)粒徑為0.5 μm、1 μm、1.5 μm、2 μm、2.5 μm、3 μm、3.5 μm、4 μm、4.5 μm、5 μm 十種球形惰性顆粒物，其密度均為1000 kg/m3。在DPM 數(shù)值計(jì)算時(shí)，考慮曳力和重力作用。

入口速度為7m/s 時(shí)，對(duì)粒徑為1.5 μm、1 μm、1.5 μm、2 μm 四種顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究，每種粒徑顆粒物在入口處分別釋放200 個(gè)，由圖5 可知，粒徑為1 μm 顆粒物大約有50 個(gè)繞過(guò)沖擊板從出口處流出，粒徑為1.5 μm 的顆粒物大約有10 個(gè)繞過(guò)沖擊板，而粒徑為2 μm 及2.5 μm 的顆粒物全部捕捉面捕捉；由圖6 可知，粒徑為1 μm 和1.5 μm 的顆粒物幾乎都可以繞過(guò)沖擊板，而粒徑為2 μm 的顆粒物約有50 個(gè)繞過(guò)沖擊板從出口流出，粒徑為2.5 μm 的顆粒物全部捕捉面捕捉。模型一對(duì)粒徑為1.5 μm、1 μm、1.5 μm、2 μm 四種顆粒物的捕捉率較高，但由于粒徑1 μm、1.5 μm 的小顆粒物逃逸率較低，反而導(dǎo)致其切割效果不佳，無(wú)法有效通過(guò)粒徑對(duì)顆粒物進(jìn)行區(qū)分。而模型二對(duì)粒徑1.5 μm 和2 μm 的顆粒物捕捉效果差異較大，可以有效地通過(guò)粒徑對(duì)顆粒物進(jìn)行選擇性捕捉。

圖5 模型一在V=7 m/s 時(shí)的顆粒物軌跡圖

圖6 模型二在V=7 m/s 時(shí)的顆粒物軌跡圖

無(wú)量綱數(shù)Stoke 數(shù)[3]是用來(lái)描述慣性采樣器切割頭顆粒物動(dòng)力學(xué)行為，表征捕捉率的重要參數(shù)之一，它也常被用于描述顆粒物離開(kāi)流線難易程度。為更好的研究?jī)蓚€(gè)模型在切割顆粒物時(shí)的區(qū)別，引入對(duì)兩個(gè)模型切割效果進(jìn)行評(píng)價(jià)

選取粒徑1 μm 至3.5 μm，入口速度0.6 m/s、1 m/s、2 m/s、4 m/s 的顆粒物，計(jì)算出，并選取作為橫坐標(biāo)，捕捉率（沖擊面上被捕捉的顆粒物總數(shù)與速度入口顆粒物總數(shù)之比）為縱坐標(biāo)，見(jiàn)圖7。

圖7 數(shù)與捕捉率散點(diǎn)圖

2.4 顆粒物粒徑與捕捉率分析

選取粒徑0.5 μm 至5 μm 的顆粒物（密度ρp=1000 kg/m3），當(dāng)入口速度為0.6 m/s、1 m/s、2 m/s、4 m/s、7 m/s 時(shí)，顆粒物捕捉率隨粒徑變化曲線見(jiàn)圖8。由圖8 可見(jiàn)，入口速度為V=0.6 m/s 時(shí)，模型一和模型二切割頭對(duì)粒徑4 μm 以下的顆粒物幾乎沒(méi)有捕捉作用。而入口速度為V=7 m/s 時(shí)，模型一和模型二切割頭對(duì)粒徑2.5 μm 以上的顆粒物幾乎全部捕捉，沒(méi)有區(qū)分效果。從其他曲線也可以得出結(jié)論，入口速度較大時(shí)對(duì)應(yīng)的切割粒徑較小，入口速度較小時(shí)對(duì)應(yīng)的切割粒徑較大。

通過(guò)對(duì)圖8 曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模型一切割頭捕捉率曲線較為平坦，如入口速度為4 m/s 時(shí)，切割頭對(duì)顆粒物捕捉率從20%升至100%的粒徑范圍是0.5 μm 至3.5 μm，相對(duì)應(yīng)的模型二切割頭入口速度為4 m/s 時(shí)，捕捉率0%升至100%所對(duì)應(yīng)的粒徑范圍是1.5 μm 至3.5 μm，曲線較模型一更為陡峭。因此，可以看出在模型二切割頭捕捉率比模型一更陡峭，對(duì)顆粒物的切割效果更好。

圖8 切割頭捕捉率曲線

3 結(jié)論

1）由入口速度為V=7 m/s 時(shí)捕捉面附近速度曲線圖分析，模型二切割頭比模型一切割頭在捕捉面附近速度曲線曲率更大，更符合慣性撞擊原理，對(duì)于顆粒物從流線分離的效果更強(qiáng)。模型二切割頭對(duì)于粒徑為1.5 μm 和2 μm 的顆粒物捕捉效果有較大的區(qū)別，可以有效通過(guò)粒徑對(duì)顆粒物進(jìn)行選擇性捕捉。