旋涡离心混合式喷嘴雾化特性实验研究*

王 健，刘荣华, 2，王鹏飞, 2，谭煊昊，石佚捷，田 畅



旋涡离心混合式喷嘴雾化特性实验研究*

王 健1，刘荣华1, 2，王鹏飞1, 2，谭煊昊1，石佚捷1，田 畅1

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭市 411201；2.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)

为提高旋涡离心混合式喷嘴工况场所降尘效果，基于现有的喷雾降尘模拟实验系统，采用实验手段系统研究了该喷嘴雾化场中的雾滴粒径的空间分布以及雾化参数的各影响因素。研究表明：在喷嘴轴线方向，因距喷嘴距离的增加，雾滴粒径不断增大；在距喷嘴一定距离纵断面方向上，雾滴粒径由外向内逐渐减小，但减小幅度较缓慢；由于供水压力的增加，喷嘴流量逐渐加大，雾滴粒径不断减小。在相同的供水压力下，喷嘴流量因喷嘴直径的增加不断增大；喷雾场中的雾滴粒径随着喷嘴直径的增加也逐渐增大，且增幅较大。在相同供水量条件下，由于喷嘴直径的增加，喷雾压力逐渐减小，雾滴粒径逐渐增大。

混合式喷嘴；雾化参数；雾滴粒径；喷嘴直径；供水压力

0 引 言

进入20世纪以来，随着科技的发展和大型机械化设备应用的不断提高，矿山安全问题日趋突出。尤其工矿场所的粉尘浓度剧增，作业环境恶化，对其安全生产和工作人员的身体健康产生极大的危害[1−3]。尘肺病目前是工业及煤矿危害最大的一种职业病，由尘肺病引起的伤残和死亡人数，在国内外都十分惊人。尘肺病案列数量逐年增加，据我国某机构统计，每年尘肺病的死亡人数为工伤事故死亡人数的数倍。由于压力喷嘴具有结构简单、经济、方便和实用等多项优势，因而在工业和煤矿井下得到广泛应用[4−8]。

然而，从喷嘴的实际应用情况来看，井下应用效果并不是太好。喷雾降尘效率与多种参数密切相关，主要有雾滴粒径、雾滴速度、供水压力、雾化锥角、供水流量及射程等[9−12]。其中雾滴粒径是影响喷雾降尘效率的关键性因素。喷雾降尘是一个复杂的气体—颗粒两相流过程[13−15]。张道福在扰动风流1.2 m/s下测定了6种喷嘴在8 MPa固定供水压力下的雾化特性和粒径分布，得出最佳喷嘴类型和相关特征系数[16]。目前，对雾化过程进行的研究仍大多采用实验手段进行，但也有一些采用理论和数值模拟的方法详细分析了雾化粒径的影响因素。因此，为系统分析影响雾滴粒径参数变化的情况，选用煤矿井下常用的旋涡离心混合式喷嘴进行了较详细的实验研究。

1 实验系统及方案

1.1 实验系统

本系统主要由巷道模型、BPZ75/12型高压水泵、马尔文实时高速喷雾粒度分析仪、水箱、L型毕托管、TSI19565-P型风速仪以及相关阀门、管道等组成(如图1所示)。

1.2 实验方案

实验选用的喷嘴为煤矿井下常用的旋涡离心混合式喷嘴，雾流场形状为实心圆锥。第1组实验为雾滴粒径空间分布的实验，在供水压力为6 MPa下，选用直径为1.2 mm的喷嘴进行雾滴粒径测定。根据实际应用情况，在喷嘴水平方向选取3个位置，分别距离喷嘴50，100，150 cm，分别用空间坐标(50，0)、 (100，0)、(150，0)表示；在距喷嘴水平100 cm的纵断面上分别取4个位置，分别距喷嘴水平线0，5，10，15 cm，空间坐标表示为(100，0)，(100，5)，(100，10)，(100，15)。

第2组实验为供水压力影响实验，对选用喷嘴直径为1.5 mm，在8种供水压力(1，2，3，4，5，6，7，8 MPa)下的雾滴粒径进行测定。

第3组实验为喷嘴直径影响实验，在供水压力6 MPa下，对不同直径喷嘴(0.8，1.0，1.2，1.5，1.8，2.0 mm)的雾滴粒径进行测定。同时，也对相同供水量(5.6 L/min)下不同直径喷嘴的供水压力及雾滴粒径进行了研究。

1—AG410干粉气溶胶扩散器；2—毕托管；3，18—TSI9565风速仪；4，19—CCF-7000直读式粉尘浓度测定仪；5，20—CCZ-20型粉尘采样器；6—激光发射器；7—接收器；8—马尔文粒度分析仪；9—高速摄像仪；10—雾化喷嘴；11—闸阀；12—数字式压力表；13—智能电磁流量计；14—BPZ75/12型高压水泵；15—储水箱

2 实验结果及分析

2.1 雾化粒径空间分布

表1为直径1.2 mm的喷嘴在供水压力6 MPa时，测得各空间位置喷雾场中的雾滴粒径数据。为直观的分析雾滴粒径空间分布情况，将表1中的实验数据进行整理，绘制出雾滴粒径沿水平和纵向的分布图(见图2和图3)。

由表1和图2、图3可发现，在描述雾滴的所有特征参数中，D90最大，D10最小。为方便分析雾滴粒径的变化情况，选择特征粒径D50作为衡量雾滴粒径大小的指标。由图2可以得出，沿喷嘴水平方向，随着距离的递增，描述雾滴粒径的5种参数(D10、D50、D90、D[3,2]、D[4,3])都表现出增大趋势，如激光粒度仪对(50，0)、(100，0)、(150，0)不同位置进行粒径测定，D50由89.95 μm增加到95.68 μm和112.40 μm，分别增加了5.73 μm和16.72 μm，增幅明显，且增幅逐渐变大。

表1 不同位置的雾滴粒径参数

注：分布跨度是对颗粒密度的一种度量，其值越小，颗粒越集中。

图3为雾化粒径沿纵向分布曲线。从图3可以发现，随着距喷嘴水平线的距离增加，雾化粒径不断增大，如D50由(100，0)处的95.68 μm逐渐增大至99.87，103.40，108.80 μm，仅分别增加5 μm左右，增幅缓慢。从表1还可以看出，随着距喷嘴轴向和径向距离的增加分布跨度逐渐增大，说明雾场中大颗粒数相对较多。分析其原因：高压水经过喷嘴内部充分扰动以及在喷嘴出口处高速喷出与空气的挤压作用破碎成雾滴，在沿喷嘴轴向方向雾滴浓度较高，粒径较小。由于雾滴之间以及雾滴与空气的相互作用力造成卷吸效应，让不断运动的雾滴之间相互凝聚，从而造成雾滴粒径在轴向方向不断增加；雾滴本身由于重力作用向下坠落，与其他雾滴碰撞凝聚，在径向方向雾滴粒径也不断变大。

图2 雾化粒径沿水平方向分布曲线

图3 雾化粒径沿纵向分布曲线

2.2 供水压力的影响

表2为不同供水压力下的雾滴粒径参数。从表2可以看出，随着供水压力的增加，喷嘴流量不断递增，并基本符合以下理论关系式：

式中，为喷嘴流量，L/min；为供水压力，MPa；为实验系数。对实验数据进行综合分析，得出该喷嘴的实验系数=3.69。

从表2可以发现，描述雾滴粒径大小的所有参数(D10、D50、D90、D[3,2]、D[4,3])都随着供水压力的增加而减小。再结合表2，当供水压力为1 MPa时，D50为143.6 μm，当压力由2 MPa增大至5 MPa时，对应的D50分别减小至125.2，120.7，119.1 μm和121.8 μm，但减小幅度并不明显；当供水压力由6 MPa提升至8 MPa时，D50分别减小至110.5，105.99，101.23 μm，分别减小4.51，4.76 μm，减小幅度较为平稳。

由表2还可以看出，分布跨度随着供水压力的增大而呈现减小的趋势，但当压力增加至4 MPa时，颗粒分布密度反而呈现增大趋势。如当压力从1 MPa逐渐增大至4 MPa时，分布跨度从1.762减小至1.2，继续增大供水压力时，颗粒粒径的分布跨度反而呈现增大的趋势。说明继续增大压力，虽然雾滴粒径减小，但是表征雾滴粒径参数中相对尺寸大的颗粒数量较多。分析其原因：随着供水压力增大，具有较高压力势能的高压水在喷嘴内部受到的扰动就越激烈，碰撞强度也就越大，在出口处压力势能转换为动能，与空气的挤压作用也逐渐递增，形成的雾滴粒径也就越小。影响喷雾降尘效率的因素很多，但单位时间喷嘴流量及雾滴粒径是其重要因素，并因喷嘴流量的增加及雾滴粒径的减小而增大。因此，建议实际应用时设置喷嘴供水压力为6 MPa较为合适。

2.3 喷嘴直径的影响

表3为不同直径喷嘴在供水压力6 MPa下的雾滴粒径参数。从表3可以得出，在相同供水压力下，因喷嘴直径的递增，喷嘴流量不断变大。如直径从0.8 mm增加到2.0 mm时，喷嘴流量从3.53 L/min增大到13.69 L/min，增幅明显。由此可见，随着喷嘴直径的增大，喷嘴流量逐渐变大，单位时间的雾化水量不断增大，对捕获粉尘有利。

表2 相同直径喷嘴在各压力下的雾滴粒径参数

表3 不同直径喷嘴在相同压力下的雾滴粒径参数

图4为不同直径喷嘴在供水压力6 MPa下的的雾滴粒径累计分布。再结合表3的数据可看出，在相同供水压力下，喷雾形成的雾滴粒径随着喷嘴直径的增加而逐渐变大。如D50由喷嘴直径0.8 mm的81.36 μm，增加到2.0 mm时的156.82 μm，增加了75.46 μm，雾滴粒径增加显著。由表3还可以发现，在喷嘴直径从1.8 mm增加到2.0 mm时，表征粒径大小的各参数都有急剧增大的现象。由于粉尘的捕集和沉降有益于改善工作环境质量，而其又与喷雾场中雾滴粒径的大小至关重要，雾滴粒径越小，呼吸性粉尘越容易沉降。因此，在使用时选用喷嘴直径不大于1.2 mm较为 有效。

图5为喷嘴流量5.6 L/min，6种直径喷嘴供水压力的变化。从图5可以发现在相同供水量条件下，供水压力因喷嘴直径的变大而不断减小。如直径由0.8 mm增大到1.5 mm时，供水压力由15.4 MPa递减到2.3 MPa，减小了13.1 MPa，减小幅度约85%。

图6为各直径喷嘴的雾滴粒径参数。从图6可以看出，在相同供水量下，因喷嘴直径的增大，雾滴粒径不断增大。在喷嘴直径从0.8 mm逐渐增加到1.8 mm时，表征雾滴粒径的参数增长都比较缓慢，但从1.8 mm增加到2.0 mm时，表征雾滴粒径的各参数都有一个突然增大的现象。如D50由喷嘴直径0.8 mm时的81.36 μm，增加到1.8 mm和2.0 mm的107.05 μm和156.82 μm，分别增加了25.69 μm和75.46 μm，增幅趋势明显。由此可见，在相同供水量下，供水压力随着喷嘴直径的增加而急剧减小，且雾滴粒径随着喷嘴直径的增加而增加，幅度逐渐变大。由此可知，在工矿场所降尘过程中，为提高降尘效率，应该选择直径较小的喷嘴，但喷嘴直径过小，容易被水中的杂质造成堵塞。综合上述分析，在实际应用降尘时，选用喷嘴直径为1.2 mm较为合理。

(a) 喷嘴直径0.8 mm；(b) 喷嘴直径1.0 mm；(c) 喷嘴直径1.2 mm；(d) 喷嘴直径1.5 mm；(e) 喷嘴直径1.8 mm；(f) 喷嘴直径2.0 mm

图5 各直径喷嘴的供水压力

图6 雾化粒径与喷嘴直径的关系

3 结 论

(1)在喷嘴水平线方向，因距离的增加，雾滴粒径逐渐增大，且增幅也逐渐增大。在水平线任一纵断面上，雾滴粒径由外向内逐渐减小，但减小幅度较 缓慢。

(2) 随着供水压力的递增，雾滴粒径与喷嘴流量呈相反变化趋势，不仅令雾滴粒径逐渐减小，同时不断增加喷嘴流量，越容易沉降粉尘。且在压力3 MPa增加到5 MPa时，雾滴粒径减小幅度不明显；继续增大压力到6 MPa时，减小幅度反而增大，但较为平稳。

(3) 在相同的供水压力下，雾滴粒径和喷嘴流量都随着喷嘴直径的增加而不断增大，为提高喷嘴降尘效果，喷嘴直径应较小。在实际应用中喷嘴的直径宜选用1.2 mm。

(4) 在相同供水量下，供水压力因喷嘴直径的增加快速下降，并且雾滴粒径也由于喷嘴直径的增加而缓慢增加，不利于粉尘的捕获和沉降。

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国家自然科学基金面上项目(51574123)；湖南省自然科学基金青年基金项目(2017JJ3076).

(2018−08−12

王 健(1994—)，男，安徽滁州人，硕士研究生，研究方向为矿井通风和粉尘防治，Email：746992774@qq. com。