风速与喷嘴安装角对细水雾颗粒运动的影响

刘志超 李 彬 李艳波

(河南理工大学机械与动力工程学院，河南 焦作 454003)

风速与喷嘴安装角对细水雾颗粒运动的影响

刘志超 李 彬 李艳波

(河南理工大学机械与动力工程学院，河南 焦作 454003)

为了研究射雾器中喷嘴安装角度和风速对单颗粒运动轨迹的影响，设计了由供风系统、喷雾系统、测试系统组成的远程射雾器实验平台。采用高速动态数字摄像仪对不同的风速和喷嘴安装角度进行了实验，即在风机开启时分别测定不同工况下细水雾单颗粒的运动，并利用MATLAB绘制细水雾单颗粒运动轨迹图，得到了不同风速和喷嘴安装角度对细水雾单颗粒运动的关系：当风速增大时，单颗粒的运动速度提高；喷嘴的安装角度对单颗粒的运动几乎没有影响。

单颗粒 运动 风速 安装角度

近年来，随着采煤、采石等行业的迅速发展，机械化水平大幅增高，在开采、运输和储存过程中产生了大量的粉尘，严重威胁工矿企业的安全生产和职工的身体健康[1]。粉尘不仅会引发爆炸，降低能见度和磨损设备对安全生产造成威胁[2]，还会对人体健康带来不良的影响，长期处于高粉尘浓度的地方工作，很容易引发尘肺病、角膜炎、哮喘性支气管炎等症状[3-4]。因此，降尘除尘已逐渐成为一项亟待解决的社会问题[5]。

21世纪初，粒径小于2.5 μm的粉尘对人类健康的危害引起了人们的高度重视[6-7]。各种除尘方法迅速发展，喷雾除尘因其具有所需设备简单、使用方便等优点，在众多除尘方法中脱颖而出。近年来喷雾除尘技术得到了不断改进：C.R.Mack Cali和B.Osk从实验中观察到，尘粒与水滴碰撞时受到界面张力的阻碍，若尘粒的惯性作用力小于界面张力，尘粒不会被捕捉，这一发现为后来的研究提供了基础[8]；陈明基等[9]运用流体力学理论进行分析研究，提出了计算捕尘效率的方法；刘江虹[10]利用三维激光多普勒测速计和自适性相位多普勒速度计系统(三维LDV/APV系统)对设计的小型低速风洞进行了研究，实验结果表明：实验空间内通风对雾滴的运动产生扰动形成涡旋，雾滴平均粒径随风速增加而增大，雾滴运动距离与雾通量成反比，但是基本上不影响雾滴速度和雾滴粒径的大小；周刚等[11-12]认为高压喷雾时，喷嘴出口附近的一次雾化是由喷嘴内部形成的空穴和湍流主导的，而空气动力则影响着液滴的二次雾化过程；马素平等[13]提出了无论在哪种场合下，水雾粒度、水雾颗粒的运动速度、空间含水量和供水压力有着直接关系，因而降尘效率主要取决于供水压力和水雾颗粒的运动速度，但对于粒径小于0.5 μm的微细粉尘，压力型雾化喷嘴喷雾无法达到降尘的目的。

以上研究工作表明提高细水雾颗粒的运动速度有利于提高喷雾除尘的效率，但是很少有综合对比分析风速与喷嘴安装角度对细水雾颗粒运动速度的影响。本课题对不同喷嘴安装角度和不同风速下水雾场单颗粒的运动进行了实验研究，实验结果为喷雾除尘主要装置——射雾器的优化设计和降尘效率的提高提供了一定的参考依据。

1 实验的基本原理

根据中低压细水雾除尘中通用的风速，选定实验过程中的风速变化范围，并搭建一个能够产生细水雾的实验装置，然后利用高速动态数字摄像仪测定不同风速和喷嘴安装角度下形成的细水雾颗粒的运动状态，采用MATLAB软件进行数据处理，分析研究风速和喷嘴安装角度对细水雾颗粒运动的影响[14]。

2 实验设计

2.1 实验模型的建立

实验设计了供风系统、喷雾系统和测试系统等构成的实验平台。供风系统中的风筒分渐缩风筒、柱形导风筒和锥形导风筒3段。所设计的射雾器实验模型如图1所示。

图1 射雾器实验模型

该实验模型主要有2个部分组成，即包括水箱、水泵和喷嘴的喷雾系统与制造风流场的风机和风筒。3段风筒的具体参数如表1所示。

表1 风筒具体尺寸

实验中将离心风机与风筒通过管路连接以达到远程送风的目的。喷嘴安装在风筒出口，细水雾颗粒由风流场送往远处。

2.2 实验方案的确定

具体的实验方案如图2所示。

图2 实验方案示意

详细的实验步骤如下。

(1)开启风机，利用热线式风速风量仪分别调出0、6、7、8、9和10 m/s共6种不同风速，并在风机的调节旋钮上分别做标记，关闭风机。

(2)开启离心泵，调节位于喷嘴上游的减压阀，使压力表的读数为1 MPa，关闭离心泵。

(3)将喷嘴的安装角度调为0°，启动离心泵，待水雾稳定后，打开高速摄像仪，通过计算机工作界面进行调整，选择最清晰的工作界面参数。

(4)启动风机，分别调节风速至0、6、7、8、9、10 m/s，待水雾稳定后拍摄，分别记录不同风速下的细水雾颗粒的运动数据。

(5)关闭离心泵和风机，依次调整喷嘴的安装角度为15°、30°、45°和60°，并分别重复步骤(3)、(4)进行实验。

3 实验结果讨论

本实验利用控制单一变量法进行，并对得到的数据进行分析，为确保实验结果的准确性，达到减少因人为因素造成的测量误差，采用在风速调节器上进行标记的方式确定不同风速对应的旋钮位置，并选择晴朗无风天气进行实验，以减小自然风对水雾稳定性的影响。经过多次测量筛选后得到以下结果。

3.1 喷嘴安装角度对细水雾单颗粒运动的影响

不同喷嘴安装角度下的单颗粒运动轨迹如图3所示，分别用不同颜色的线条描述喷嘴安装角度为0°、15°、30°、45°和60°时单颗粒的运动轨迹。本实验测量时以喷嘴出口为原点，当颗粒位移为0时，细水雾颗粒表现为细水雾流场初始状态。由图3可知：此时的单颗粒运动速度均为2 m/s；细水雾颗粒位移很小，约为9.56×10-5m，运动速度在风流场的作用下急速增大，达到最大值11.11 m/s；在位移约为0.06 m时，运动速度经过波动达到最小值3 m/s；当细水雾颗粒位移小于0.06 m时，风流场由于受到喷嘴的影响扰动较大，细水雾颗粒的运动也受到很大影响，波动较大；当位移大于0.06 m时，在稳定风流场的影响下，细水雾颗粒的运动速度逐渐增大至7 m/s左右。从图3中可以看出，5种不同喷嘴安装角度下细水雾颗粒的运动轨迹几乎完全重合，喷嘴的安装角度对细水雾颗粒的运动影响很小，甚至可以忽略不计。

图3 喷嘴安装角度对细水雾颗粒运动的影响

3.2 风速对细水雾单颗粒运动的影响

图4给出了风速分别为6、7、8、9和10 m/s时单颗粒的运动轨迹。本次实验测量时同样以喷嘴出口为原点，当颗粒位移为0时，单颗粒运动速度为2 m/s，为细水雾初始状态。细水雾初始状态相同且喷嘴安装角度相同，因此细水雾流场相同。由图4可知，当风速变化时，虽然单颗粒的位移-速度曲线变化趋势基本一致，但单颗粒的运动速度随风速的改变而改变，当风速增大时，单颗粒运动速度随之增大，具体结果如表2所示。

图4 风速对细水雾颗粒运动的影响

通过对表2中的实验数据的对比分析，可以看出：当风速从6 m/s依次增加到10 m/s时，细水雾颗粒的最大速度从9.25 m/s依次增加到10.76 m/s，最小速度从2.56 m/s依次增加到2.93 m/s，稳定速度从6 m/s依次增加到6.83 m/s。细水雾颗粒的运动随风速的改变而改变，因此，在实际的细水雾除尘过程中，可以通过改变风流场的风速，达到调节细水雾颗粒运动速度，提高除尘效率的目的。

表2 不同风速下细水雾颗粒的运动速度

Table 2 Moving speeds of the single particle of mist under the different wind speeds m/s

风 速细水雾颗粒运动速度最大速度最小速度稳定速度69.252.56679.632.656.13810.032.736.41910.392.846.571010.762.936.83

4 结 论

利用自行设计和制造的实验设备，在中低压细水雾除尘的喷水压力和风速的前提下，通过对5种喷嘴安装角度和6种不同风速30种工况下细水雾颗粒的运动状态进行测定，得到了细水雾颗粒的运动与射雾器风速和喷嘴安装角度关系的实验数据。利用MATLAB对实验数据分析得到：细水雾颗粒的运动更多地受到风速的影响，当风速变化的时候，虽然单颗粒的位移-速度曲线变化趋势基本一致，但单颗粒的运动速度随风速的增加而增加。因此在细水雾除尘技术中可以采用改变射雾器风速的措施来调节细水雾颗粒的运动速度，从而达到提高除尘效率的目的。

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(责任编辑 徐志宏)

Effect of the Wind Speed and the Nozzle Angle on Single Particle of Mist

Liu Zhichao Li Bin Li Yanbo

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454003，China)

In order to study the effects of nozzle angle and wind on movement trajectories of single particle，the experimental platform which was made up of wind supple system，mist supple system and test system was designed.High speed digital camera was adopted to make experiments on different wind speeds and nozzle angles.Through measuring the movement of a single particle under different working conditions when fan is on，the single particle trajectory of mist was drawn by using MATLAB，and the relationship between a single particle trajectory and the wind speed the nozzle angle was obtained.The speed of single particle is improved when the wind increases，and the nozzle angle has little effect on the movement of single particle.

Single particle，Motion，Wind speed，Mounting angle

2015-05-02

河南理工大学热能工程重点项目(编号：509927)，河南理工大学博士基金项目(编号：B2010-41)。

刘志超(1961—)，男，教授，博士，硕士研究生导师。

X936

A

1001-1250(2015)-09-122-04