内混式空气雾化喷嘴内部流动状况对喷雾效果的影响*

2019-03-21刘荣华王鹏飞石佚捷

采矿技术 2019年1期

张奎，刘荣华，王鹏飞,3，王健，石佚捷，裴叶

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭市 411201；2.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭市 411201；3.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭市 411201)

0 前言

矿山开采过程中产生大量粉尘，导致井下工作空间粉尘浓度极高，对安全生产、作业人员身体健康及周边环境构成严重威胁[1]。喷雾降尘由于具有经济、简便和实用等优点，广泛应用于矿山井下降尘[2]。气水喷雾是以水和压缩空气作为双动力的一种新型喷雾方式[3]，具有雾化质量好[4]、耗水量小、喷嘴不易堵塞[5]等优点，被广泛应用于工业领域。内混式空气雾化喷嘴利用气液两相的相互作用力使液滴破碎，高速气流在喷嘴内部与低速液体混合，极大地改善了液体的雾化效果[6]。但是由于缺乏足够的理论指导，实际应用中经常只凭经验调节工况参数，不仅浪费水资源，也不能达到应有的降尘效果[7]。相关学者对内混式空气雾化喷嘴的研究[3-4,8]，更多的是通过实验分析了供气压力、供水压力等外部参数对喷嘴雾化特性的影响。

但是国外相关学者研究表明，喷嘴几何形状和内部流动状况和对喷雾的发展有较大影响[9-11]。在目前喷雾研究领域，通常认为实现液滴雾化最有效的途径是提高液滴与周围空气之间的相对速度[4]。因此本文采用计算流体动力学方法，从喷嘴内部液体一次雾化及气液相对速度方面，对喷嘴下游雾化效果的影响进行分析。

1 喷嘴内部模拟研究

1.1 物理模型与网格划分

内混式空气雾化喷嘴的结构见图1，喷嘴内压缩空气对液柱进行冲击破碎，形成带状液丝与液膜，此过程为一次破碎；然后高速气流裹挟着液丝从喷嘴空气帽出口喷出，在气液两相的相互作用力下，液丝进一步破碎成液滴，此过程为二次破碎[12]。其中喷嘴液体帽进气口直径为2.0 mm，空气帽出口直径为2.0 mm。根据喷嘴结构，将喷嘴内流道联合外部喷雾场，采用Gambit软件建立几何模型，并进行网格划分，在近壁面区域增加边界层网格，如图2所示。

图1 内混式空气雾化喷嘴简化结构

1.2 数值计算参数设置

喷嘴内部模拟的两相流模型为流体体积函数模型，设置空气为第一相，水为第二相，气液间的表面张力系数为0.073 N/m。湍流方程采用RNGk-ɛ

图2 几何模型及网格划分

两方程湍流模型，压力速度耦合方式采用PISO算法。由于气体沿程损失和局部损失较大，且实验无法测量喷嘴进气孔入口的实际压力，因此采用气流量换算得到气体速度，并作为速度入口边界条件。其中气流量采用公式(1)[3]计算，公式由相同喷嘴实验数据拟合得到。液体压力损失相对较小，因此进水口采用压力入口边界条件。喷雾场出口采用压力出口边界条件，为标准大气压101.325 kPa。考虑到内混式空气雾化喷嘴的实际应用压力范围，供气压力和供水压力均在0.3～0.7 MPa间取值。

(1)

式中，Qair为喷嘴气流量，L/min；pair为供气压力，MPa；pL为供水压力，MPa。

1.3 数值模拟结果与分析

图3是在不同气液压力比α下，喷嘴内外部流场的气液两相分布图。

图3 不同α下气液两相体积分数

由图3可知，在气流的冲击破碎下，液体迅速雾化，液核在很短的距离内就已经消失。其中液核为未受气流扰动的连续液体核心，流动状态类似于单相射流的势核。随气液压力比增大，液核长度明显缩短，液体一次雾化效果更好。当α=1.6时，喷嘴出口处已经不存在液核，即在喷嘴内部液体已经充分一次雾化，有利于形成粒径更小的喷雾。

将图3采用专业图像处理软件Image Pro Plus处理，可以得到喷嘴雾化锥角。如图4所示，随气液压力比增大，气体扰动作用增强，液体一次雾化更充分，喷嘴出口喷雾扩散角度更大，喷雾覆盖范围变广，雾化效果更好。

图4 α对喷嘴雾化角的影响

图5和图6为不同气液压力比下，喷嘴出口截面处的速度分布图和气液两相体积分数分布图。对照两图可知，随气液压力比α的增大，虽然中间液核速度几乎相同，但液核周围速度有明显的增大，即气液间相对速度增大，气体扰动作用增强，中间液核的直径也减小明显，喷嘴内部液体一次雾化更充分。并且喷嘴出口气液混合物的速度更大时，下游的喷雾二次破碎作用也会更强，形成更小粒径的喷雾。

图5 α对喷嘴出口速度的影响

图6 α对喷嘴出口气液体积分数的影响

2 喷雾效果实验

为了验证喷嘴内部流动状况对喷嘴下游雾化效果的影响，通过实验测量相应气液压力比下的喷嘴雾化锥角和雾滴粒径。雾化锥角采用高速摄像仪进行拍照，并由专业图像处理软件Image Pro Plus处理，如图7所示。在喷嘴下游50 cm处，通过马尔文激光粒度分析仪测量喷雾的雾滴粒径。喷嘴雾化锥角和雾滴粒径实验结果均记录在表1中。