垃圾填埋场用除臭风炮喷雾特性的研究

盛金良， 赵万超， 王明通， 高瑜刚， 仝 光， 马慧民

(1. 同济大学 机械与能源工程学院， 上海 201804；2. 上海电机学院 a.汽车学院； b.商学院， 上海 201306)



垃圾填埋场用除臭风炮喷雾特性的研究

盛金良1， 赵万超1， 王明通1， 高瑜刚1， 仝 光2a， 马慧民2b

(1. 同济大学 机械与能源工程学院， 上海 201804；2. 上海电机学院 a.汽车学院； b.商学院， 上海 201306)

除臭风炮是垃圾填埋场除臭的常用设备，能够有效缓解垃圾填埋场臭气外溢的问题。但在实际应用过程中存在除臭药液喷洒不均、喷射不及，风炮俯仰角控制不合理等问题。针对这些问题，对除臭风炮的喷雾特性进行研究，运用计算流体动力学理论(CFD)结合牛顿定律对除臭风炮喷雾过程中的气相和液相进行了理论分析，并通过FLUENT进行仿真，分析了风炮风速、风炮俯仰角等因素对雾滴分布均匀性和覆盖率等指标的影响，其间有实验数据加以佐证。结果表明，风速增大可以增大雾滴射程并改善雾滴的分布均匀性，雾滴降落的密集区域随着风炮俯仰角增加会先增大后减小，在45°左右达到最大值；为增加雾滴分布均匀性，风炮俯仰角的角速度控制应呈现中间大两头小的趋势。

除臭风炮； 风炮风速； 风炮俯仰角； 分布均匀性； 覆盖率

除臭风炮的正式名称为“高压喷雾风炮系统和常规喷淋系统”，是垃圾填埋场除臭的常用设备，能够有效缓解垃圾填埋场臭气外溢。例如北京阿苏卫垃圾卫生填埋场的除臭系统中包括13套半固定远程风炮、1套车载式远程风炮；上海老港垃圾填埋场也采用了多台除臭风炮，分布在垃圾填埋场四周，通过风炮来扩大除臭药剂喷洒区域从而有效的防止臭气外溢。[1]

除臭风炮的工作原理[2]是将除臭药液通过专用的喷嘴高压喷出后形成微米级的药液微粒，再经高速风机加速后大面积扩散，使得药物分子随雾粒的扩散充分与空气中的臭气分子接触并发生反应，从而有效的清除臭气废气。

尽管除臭风炮能有效缓解垃圾填埋场的臭气外溢现象，但在实际应用过程中仍存在药液喷洒不均、喷射不及，风炮俯仰角控制不合理等问题，因此，针对除臭风炮存在的这些问题，本文对垃圾填埋场用除臭风炮的喷雾特性进行了研究，通过分析风炮风速、风炮俯仰角等因素对雾滴分布均匀性和覆盖率等指标的影响，给出了可供参考的方案和建议。

1 除臭风炮气相流动分析

除臭风炮是在常温下进行工作的，不考虑相间的能量传递[3]。在气相流动控制方程组中仅包括质量守恒方程和动量守恒方程，而无需建立能量和组分质量守恒方程。

1.1 控制方程

(1) 质量守恒方程

(1)

式中,t为时间；div为散度；U是速度矢量，u、v、w是速度矢量U在x、y、z方向上的分量；ρ为流体的密度。

对不可压定常流动，速度的散度为零，即

(2)

(2) 动量守恒方程。动量守恒方程即Navier-Stokes方程，不可压黏性流体动量守恒方程为

式中,p为压强；υ为运动黏度；

grad()=∂()/∂x+∂()/∂y+∂()/∂z

Sx、Sy、Sz为广义源项，Sx=Fx/ρ，Sy=Fy/ρ，Sz=Fz/ρ，其中，Fx、Fy、Fz为单位质量流体上的质量力在x、y、z3个方向上的分量。

1.2 气相湍流模型

除臭风炮喷雾过程中的气相流动为复杂的三维流动，是一种流动参量随时间、空间随机变化的不规则流动状态。目前仍然难以通过直接求解Navier-Stokes方程组来解析流动问题。从喷雾施药工程应用角度而言，时间尺度上的平均流场已经能够反映气相流动的物理本质，所以本文仍采用雷诺时均方程[3]。该方程由将Navier-Stokes方程时均化后得到，表达式为

(4)

式中，U、V、W为平均速度；u′、v′、w′为速度脉动；fx、fy、fz为体积力。

对于不可压定常流动且不考虑体积力，上述方程可以写成：

(5)

2 除臭风炮液相流动分析

从喷嘴中喷出的雾滴颗粒处理为离散的拉氏实体(Discrete Lagrangian Entity)，其大小、速度和位置等初始输入值均采用平均值。雾滴颗粒射入气相流场后和流场进行质量和动量的交换，不考虑能量的交换。

2.1 雾滴颗粒的平均速度和平均尺寸

雾滴运动初速度与液膜破碎情况有关，为简化计算假设液膜破碎后产生的不同粒径雾滴初速度up0相同，均等于液膜破碎速度vs[4-5]。

假设风炮上使用的喷嘴为圆锥型喷嘴，具体几何形状如图1所示。

图1 喷嘴的几何参数

对于连续射流，在喷嘴出口截面内外两点间应用伯努利方程，如果忽略两点间的高度差，可以得到

(6)

式中,p1、p2分别为喷嘴内、外压力；v1、v2分别为喷嘴内、外流体平均流速；ρ1、ρ2分别为喷嘴内、外液体密度。

在两点间应用连续性方程可得

ρ1v1A1=ρ2v2A2

(7)

式中，A1、A2分别为直径为d1、d2处的圆截面横截面积。

因为喷嘴流道一般为圆管型结构，即A=πd2/4，并假设ρ1=ρ2，可得喷头出口处液膜的初速度为

(8)

式中,d1、d2为两点圆截面的直径。

采用的喷嘴内压力p1=0.3MPa，喷嘴外压力为大气压，即p2=0.1013MPa，d1=10mm，d2=2mm，ρ=1000kg/m3，则根据上式可计算出雾滴的初速度为v2=10m/s。

水介质开始破碎成为水滴的韦伯数，称为临界韦伯数[6]。由临界韦伯数可以估算出水滴的直径，即

(9)

式中，Wec为临界韦伯数，对于大气中的水射流，临界韦伯数取10～20；σ1为水的表面张力系数，按温度为25℃取值为7.21；ρ为水的密度。

在实验过程中测量得到风炮喷口处的气体速度u2=24m/s，则根据上式计算得到水滴的直径为D1=552μm。但是考虑到雾滴运动过程中的碰撞、破碎等现象，雾滴直径会在一定范围内分布。本文实验采用Malvern公司生产的Mastersizer测量雾滴直径分布采用Rosin-RammLer方法计算雾滴直径分布指数[7]。根据测量数据计算可得雾滴直径分布指数为2.18。

2.2 雾滴受力模型

气体作用在雾滴上的力取决于相对速度或称滑移速度u-up，其中，u为气体的速度；up为雾滴速度。把这个力称为黏性阻力。设雾滴形状为球形，直径为D，密度为ρp，则雾滴受到的力主要为气体给雾滴的黏度阻力和自身的重力，其他因素暂不考虑[8-9]。

在水平方向上应用牛顿运动定律有

(10)

式中，ρ为气体的密度；CD为阻力系数；uH和upH分别为气体和雾滴的水平速度。

在竖直方向上，雾滴受到重力和空气阻力。运用牛顿运动定律有

(11)

对于阻力系数CD，有

(12)

(13)

式中，Re为雷诺数;μ为气体的动力黏性系数;uV和upV分别为气体和雾滴的竖直速度。

3 除臭风炮气液两相流动数值模拟

3.1 除臭风炮气相流动数值模拟

从风炮中喷射出来的气体认为是定常不可压缩的，因为风炮内部拥有导流叶片和中心轴柱，为了简化模型，在导流叶片末端所在截面处将风炮截断，取其喷口部分和空间区域作为流体计算域，如图2所示，图3所示为喷口处模型的放大图。假设风炮在模型的初始入射面上气流速度相同，方向垂直于喷口截面，具体大小由实验测定(经实验测定气流入射速度为24m/s)。

图2 风炮喷雾气相流场计算域

图3 风炮喷口处模型的放大图

利用ANSYS进行网格划分，同时进行设定边界名称，再将网格文件导入FLUENT中，设置相关参数后进行计算。

中心线上的速度分布如图4所示。

图4 流场中心线上的速度分布

在流场中间(x=8m处)竖直截面上的速度分布如图5所示。

图5 x=8m、z=0m处y方向的气流速度分布

3.2 气液两相流动数值模拟

将离散相添加到连续相流场中，采用 Eulerian-Lagrangian 模型计算两相流动。为了简化模型和定性的分析雾滴轨迹，设定雾滴颗粒从喷口处以均匀的速度垂直于喷口射出，在 FLUENT 中的离散相模型中选择面射流元，设定初始速度，雾滴形状为球形，直径分布选择Rosin-RammLer分布。

运用FLUENT中的报告里的离散相结果后处理可以得到雾滴在下边界的分布直方图如图6所示。

图6 雾滴在底边的分布直方图

4 除臭风炮气液两相流动实验

4.1 实验目的及设备

为了验证理论模拟的准确性，针对除臭风炮的工作情况进行实验，并采集相关数据。需要采集及验证的实验数据包括风炮气流速度场轴心线上的速度分布、垂直于轴线的截面上的速度分布和地面上沿轴线方向上的雾滴沉积量分布。

实验中使用的仪器设备有: AZ-8901风速计，风速测量范围为0.4～35m/s，分辨率为0.1m/s，准确度为±2%；米尺；天平(精度为0.1g)；计时器；喷水量收集容器(直径为340mm)。工作介质为清水。

4.2 实验方案与方法

由于自然风对除臭风炮的风速实验结果影响较大以及温度对雾滴沉积量的影响较大，故在室内进行实验。

4.2.1 风炮气流速度场数据采集方案 将风炮水平放置，以风炮轴心线为x轴，水平方向为y轴，竖直方向为z轴，原点为风炮出口截面处中心点。

只开启风炮中的风机，对风炮形成的气流速度场进行数据采集。对风炮轴心线上的风速进行测量，测量间距为1m。

另外在x=8m、z=0m处对y方向的气流速度进行采集，具体示意图如图7所示。

图7 气场速度采集方案示意图

4.2.2 风炮雾滴沉积量数据采集方案 同时开启风炮、喷嘴，使机器进行除臭风炮作业，测量雾滴的沉积量。本实验主要采集y=0的竖直截面上，一段时间内实际落到地面的雾滴沉积量的分布情况。在地面上沿x方面每隔3m放置一个喷水量收集容器，喷射时间为9min，具体示意图如图8所示。

图8 地面沿x方向雾滴沉积量测量方案示意图

图9 气场轴心线上的速度分布

图10 x=8m、z=0m处y方向的气流速度

4.3 测量结果及分析

测量得到气场轴心线上的速度分布如图9中的细线所示。图10所示为x=8m、z=0m处y方向的气流速度。由图9和10可见，理论值和实验值分布趋势相同。用平均相对误差E(%)作为各测量点模拟结果精度的衡量指标，计算方法如下式所示：

(14)

式中，N为测量点数；vm为测量点的理论模拟速度；vS为测量点的实际测量速度。

则气场轴心线上速度模拟结果的平均相对误差为16.9%，x=8m、z=0m处y方向气流速度的平均相对误差为11.4%。考虑在测量和模拟上存在一定误差，所以在误差允许范围内理论值可以近似代替实验值进行定性分析。

x方向的雾滴沉积量分布如图11中的折线所示。

图11 x方向的雾滴沉积量分布

由图11可见,雾滴分布主要集中在4～13m 范围内，在其他区域沉积量较少。而通过FLUENT计算得到的结果(图11中直方图)显示雾滴沉积区域在5～12m所占比重较大，在一定程度上反映了雾滴沉积趋势。两者的相关系数为82.1%，可以认为具有较大的相关性。另外实验测得的雾滴射程约为2～23m，理论模拟的雾滴射程为4～20m，考虑到理论模型的简化，射程范围也较为相近，可以用理论值来预测实际的雾滴射程范围。

5 雾滴轨迹影响因素分析及优化

雾滴轨迹的指标主要包括雾滴覆盖率(射程)、分布均匀性，而影响雾滴轨迹的因素主要包括风速[10]、俯仰角。通过分析这些因素对雾滴轨迹指标的影响，可以对风炮喷雾工作有一个定性认识，对实际喷雾也具有一定的指导意义。

5.1 风速变化对雾滴轨迹的影响

风筒进风口的风速是影响沉积范围的一个重要因素，也是关系到雾滴分布均匀性的重要因素[11-13]。利用FLUENT进行理论模拟，以风速为自变量，得到结果如图12所示(注: 图中标记点代表雾滴在标记区间内的分布百分比，图13和14雷同)。

图12 不同风速下的雾滴分布折线图

对图12中的数据进行分析，其分布集中区间和分布量的相对标准偏差如表1所示。

表1 不同风速下雾滴分布集中区间和分布量的相对标准偏差Tab.1 Concentrated area of distribution and the RSD of the abundance of droplets with different air speeds

由表1可见，风速越大雾滴集中区域也会变大，但风速大到一定程度时，对雾滴的影响不是很明显，如风速为28m/s时较24m/s集中区间增加约2m，而风速为32m/s时较28m/s基本没变化。另外风速越大，会改善雾滴的分布均匀性[14]，表1中可以算出风速为28m/s时较24m/s的沉积量相对标准偏差减小约23.2%，即分布均匀性增加约23.2%。

5.2 俯仰角变化对雾滴轨迹的影响

除臭风炮的俯仰角可以在一定范围内变化，不同俯仰角，雾滴的运行轨迹也会发生变化。了解风炮俯仰角对雾滴轨迹的影响，有助于实际喷雾工作的优化。图13所示为风炮俯仰角对雾滴轨迹的影响曲线。

图13 不同风炮俯仰角下的雾滴分布折线图

从图13中，雾滴分布集中区域和最大有效射程随风炮俯仰角的变化如表2所示。

表2 雾滴分布集中区域随风炮俯仰角的变化Tab.2 Concentrated area of distribution of droplets with different pitching angles

从表2可以看出，随着俯仰角增大，雾滴分布集中区域先增大后减小，大概在45°左右达到最大值。另外最大有效射程(有一定雾滴聚集度的区间右端点的最大值)也是先增大后减小。

5.3 风炮俯仰角控制优化

填埋场除臭风炮在实际工作过程中主要是通过不断改变俯仰角来实现除臭药液喷洒的，俯仰角变化的角速度一般是不变的，这样会造成药液喷洒的不均匀性，下面通过对间断变化俯仰角的控制来加以说明。

假设风炮俯仰角是在一定范围内间断变化的，每个俯仰角驻留时间不同，如表3所示。

表3 俯仰角及其停留时间Tab.3 Pitching angles and their residence time

并假设各个俯仰角的雾滴频率分布曲线及相关参数如图14所示。

图14 各个俯仰角的雾滴分布曲线及相关参数

各俯仰角的停留时间可按下列等式进行初步粗略计算，即保证每个区间(这里取[6,8]、[8,10]、[10,12]、[12,14]4个区间)具有足够的雾滴沉积量：

(15)

式中,L为每m所需的雾滴沉积量;Rm为喷嘴的质量流率。

若取L=0.5kg/m,Rm=0.01kg/s,则计算出的时间为： t1=192s，t2=58s，t3=58s，t4= 166s。由此看出，如果每个俯仰角的停留时间一样，则会造成资源和时间的浪费，也可以推断出连续变化俯仰角的角速度不应该是一成不变的，而是要使角速度呈现中间大两头小的趋势。

6 结 论

实际喷雾工作中，风炮的风速可以通过风机的转速来进行调节，风速越大，雾滴尺寸就越小，射程也越大。风速增大，可以改善雾滴的分布均匀性，使得雾滴随气流漂移的距离增加。但风速增大到一定程度，对雾滴轨迹的影响就变得不是很明显。本研究表明，风速在28m/s时，雾滴的分布最为理想，与原风速(24m/s)相比，分布集中区域增加约2m，分布均匀性也提高约23.2%，同时雾滴射程也有所增加。在实际喷雾工作中可以略作调整，使得喷雾达到最好的效果。

风炮俯仰角在实际工作中是不断变化的。改变俯仰角可以改变雾滴的射程。雾滴最大有效射程和雾滴降落的密集区域随着风炮俯仰角增加会先增大后减小，在45°左右达到最大值，比原来(0°)增加约6m。

风炮俯仰角的角速度控制不应是一成不变的，而要呈现中间大两头小的趋势，这是因为雾滴在不同区间的沉积量不同。间断变化时每个俯仰角停留时间也应如此(如本文中讨论的4阶段变化时，中间俯仰角停留时间约为两端的1/3倍)，从而提高药液在一定区间内喷洒的均匀性。

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Spray Characteristic of Deodorant Air-Blast Sprayer for Landfills

SHENG Jinliang1, ZHAO Wanchao1, WANG Mingtong1, GAO Yugang1, TONG Guang2a, MA Huimin2b

(1. College of Mechanical and Energy Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;2. a. School of Automotive; b. School of Business, Shanghai Dianji University,Shanghai 201306, China)

Deodorant air-blast sprayer working at high pressure is commonly used equipment in refuse landfills. It can effectively relief spillover of odor produced in the refuse landfill. However, problems exist in practical applications, e.g., maldistribution of liquor, out of reach and unreasonable control of pitch angle of the air-blast sprayer. To solve these problems, this paper studies the spray characteristic of the deodorant air-blast sprayer for refuse landfill. With the computational fluid dynamics theory and Newton’s law, characteristics of gas and liquid phases in spraying are analyzed. Simulation is carried out using the software FLUENT to analyses the influence of air speed and pitch angle of the air-blast sprayer on indexes such as droplets distribution uniformity and fraction of coverage. Experimental data support the analyses. It turns out that increase of air speed can increase the range of droplets, and improve the distribution uniformity. With the increase of the pitch angle of air-blast sprayer, concentrated distribution area of droplets increase first and then decrease, with the maximum value being around 45°. To improve uniformity of the droplets distribution, control of pitch angular velocity should be large in the middle and small at both ends.

deodorant air-blast sprayer; air speed of air-blast sprayer; angle of pitch of air-blast sprayer; distribution uniformity; fraction of coverage

2016 -09 -13

盛金良(1962 -)，男，副教授，主要研究方向为工程机械环卫机械关键技术，E-mail: sjl@tongji.edu.cn

2095 - 0020(2016)05 -0296 - 08

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