基于拟水平正交实验法的隧道除尘喷嘴设计

曹年欢，王国志，谭元文

(西南交通大学 先进驱动节能技术教育部工程研究中心, 四川 成都 610031)

引言

随着城市化的进行，地铁成为解决交通拥挤问题的方法之一[1]。但随之而来的是地铁隧道内部的严重污染。隧道内部粉尘污染物的主要来源为：轮轨与轨道磨损产生的细小颗粒；经通风口进入地铁隧道内部的大气污染物[2]。这些粉尘污染物会对地铁的性能与寿命产生影响，严重时还可能造成故障，引发交通事故。所以保持地铁隧道清洁是地铁维护的重要工作之一。

目前国内外在地铁隧道除尘方式主要分为人工、湿式和干式3种。人工除污由于工作量大、花费时间长已逐渐被替代。湿式除尘主要是采用高压水冲洗隧道壁及轨道。对于近距离的轨道，水冲洗具有良好的性价比和清洗效果，但对于远距离的隧道壁清洗，需要更大的喷嘴才能达到一定的清洗效果。这样不仅会造成大量水资源的浪费，关键是还会对隧道内部的电气设备造成影响，具有安全隐患。干式除尘是采用吹吸结合的方法，将粉尘吹离壁面的同时将粉尘颗粒吸入集尘仓，避免造成二次污染，但设备昂贵，维护工作量大。

许多学者对于地铁隧道湿式和干式除尘都做了大量的研究工作。郑威等[3]对水冲洗的冲洗装置做了设计，以确保清洗到整个隧道壁面，但对具体的清洗效果没有研究。周万阳等[4]分析了水冲洗喷嘴在不同压力和射流角度下的打击力，但未对喷嘴结构做出研究。沈怡青[5]对干式吹吸除污做了大量的实验研究，但都是在近距离的条件下进行的，与实际距离工况相差较大。

针对以上问题，为清除隧道壁面粉尘污垢，提出空气射流吹扫加雾化的方法除尘。用高速气流冲击壁面，使粉尘颗粒在多种作用力下克服粘附力，脱离隧道壁面，此时粉尘处于悬浮状态，若任由粉尘自由降落，则会造成二次污染。此时采用雾化降尘的方法，在重力的作用下，颗粒沉降的时间会大大缩短，以此来强制降尘；然后用水冲洗的方式清洗轨道及道床的粉尘污垢。此方法节约了大量的水资源，设备造价低，便于维护，具有一定的实际意义。

为清除壁面粉尘，对比分析不同结构喷嘴的流场速度特性并用正交实验优化结构参数，使气流在相同条件下具有更好的性能，从而为粉尘清除提供理论基础。

1 喷嘴仿真模型的建立及验证

1.1 喷嘴仿真模型的建立

1) 数学模型

喷嘴吹扫从理论上讲属于湍流、可压缩性气体冲击射流[6-7]。依据质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程来确定流体的运动。研究采用Realizablek-ε湍流模型，该模型可以保持雷诺应力与真实湍流一致，可以更精确模拟射流的扩散。引入湍流模型后，时均形式的连续性方程、时均形式的N-S方程和温度T的时均输运方程如下[8]：

(1)

(2)

(3)

2) 网格划分

依据标准CJJ 96—2003可知[9]，A型地铁隧道的设备界限在线路中心线的位置上距离隧道壁最长为900 mm。为有效模拟气流冲击壁面的流场，在喷嘴外部衔接一个较大的长方体计算区域。网格包含结构网格和非结构网格，网格总数为254376。

3) 边界条件及介质

喷嘴入口为压力入口，外部长方体的4个周面及左侧面为出口边界，压力为大气压，长方体的右侧面为壁面。由于气体压缩系数很大，在高速气流的研究中需要考虑其压缩性，一般用理想气体代替空气。

1.2 仿真的验证

依据孔双祥喷气织机辅助喷嘴的研究作为基础[10]，对其中单圆孔的辅助喷嘴建模并进行数值模拟，选择Realizablek-ε湍流模型，边界条件及介质如上述设置。

如图1所示为喷嘴中心线上距喷嘴出口位移s与速度vz的曲线图。采用Realizablek-ε模型的数值结果与实验结果保持相同的衰减趋势； Realizablek-ε模型的模拟结果与实际测量结果相比，先小后大。这一定程度上是由于三维模型与实际喷嘴有一些细微差别，会对模拟结果造成影响；相比于孔选择的RNGk-ε湍流模型，Realizablek-ε模型的结果与实际测量结果之间的差距更小。通过对比模拟结果与测量结果，Realizablek-ε模型的结果吻合较好，具有可靠性，为后续研究提供支撑。

图1 实际测量与数值模拟结果对比

2 喷嘴结构的初步确定

为便于结果分析，建立如图2所示坐标系。以气刀轴线与壁面交点为坐标系原点o，沿气刀出口矩形长边方向为x轴方向，宽边方向为y轴方向，垂直于壁面方向为z方向。壁面为边长为1 m的正方形，壁面与x轴重合的线段为L。在L上取30个相同点，记录其气流速度，取其平均值作为壁面的平均速度u，来衡量喷嘴的性能标准。壁面平均速度越大，其清除粉尘的能力越大，反之，则越小。

图2 坐标系示意图

对常见的空气喷嘴，包括圆锥、鸭嘴及气刀总共8种结构空气喷嘴进行数值模拟，其结构如图3所示。并保证8种喷嘴的喷嘴长度、宽度、入口直径以及出口直径或宽度相同。对于6种不同结构的气刀分为两类：一类是单侧入口，编号为气刀1-1, 2-1和3-1；另一类是双侧入口，编号为气刀1-2, 2-2和3-2。对于气刀1-1和1-2只是入口的方式不同，其他部分完全相同。气刀2-1, 2-2及气刀3-1, 3-2的情况与之类似。

图3 各空气喷嘴三维模型图

图4所示为8种结构喷嘴在不同入口压力p下的中心轴线的速度及壁面平均速度。由图可知，圆锥和鸭嘴喷嘴的喷射距离为700 mm，气流射程短，无法达到除尘效果。气刀1和3在不同的入口方式下，外流场没有发生明显变化，其喷射距离最高才为800 mm。气刀2在不同入口方式下，双侧入口的气刀2-2喷射距离大于气刀2-1，且射程达到壁面，具有一定的除尘能力。图5为不同压力下不同喷嘴的壁面平均速度。气刀2-2的壁面平均速度远大于其余喷嘴，但其速度较小，需要进一步提高其性能。

图4 不同喷嘴轴线速度曲线

图5 不同喷嘴壁面平均速度对比图

通过分析气刀2-2的流场，发现其内部流场具有较大的涡流，且外部流场气流湍流强度较大，导致能量损失较大，喷射距离有限。为减少气流的能量损失，对气刀2-2进行改进，图6为改进后气刀模型。

1.气刀入口 2.内腔 3.整流槽 4.外腔 5.气刀出口图6 改进后喷嘴三维模型

改进后的气刀相比于改进前增加了整流槽，使气流在达到喷嘴出口之前更加的均匀，降低湍流强度，减少气流的能量损失，以提高喷嘴的速度性能。对改进后气刀进行数值模拟，其速度云图如图7所示。将改进后气刀的轴线速度和壁面平均速度与气刀2-2进行对比，结果如图8和图9所示。

图7 改进喷嘴的速度云图

图8 两种气刀轴线速度对比图

图9 两种气刀壁面平均速度对比图

由图可知，在不同压力下，随着压力的增加，两种气刀中心轴线上的气流速度都在不断增大；在距出口200～800 mm时，气刀2-2的气流速度均大于改进后的气刀。在大于800 mm时，改进后气刀的气流速度反而超过气刀2-2；气刀2-2在轴线上的速度衰减的更快，而改进后的气刀速度衰减缓慢，以至于在800 mm时超过气刀2-2；在不同压力下，改进后的气刀壁面平均速度均大于气刀2-2，且随着压力的增加，两者之间的差距在不断增大，其性能至少增加了3倍。原因在于改进后的气刀的流场的能量损耗降低，使喷射的距离增加，在一定的距离下，改进后的气刀到达壁面的气流具有更高的能量，其速度也更高。

3 改进气刀的参数优化

虽然改进后气刀具有更好性能，但是不同的结构参数还是会对气刀的性能产生影响。为进一步提高喷嘴的性能，需要对气刀进行结构参数的优化。

3.1 单因素实验

为确定气刀结构参数的影响，需要进行单因素实验，即在其他参数不变时，保持其中一个结构参数变化。依据气刀结构选取入口直径a、内腔与入口直径差b、外腔与内腔直径差c、喷嘴长度d、出口宽度e、整流槽宽度f，6个结构参数进行单因素实验。对不同气刀在不同压力下的流场进行数值模拟，得到每个结构参数对气刀性能的影响。如图10为单因素实验的结果曲线。

图10 六种结构参数的单因素实验

由图可知，在不同压力下，每个结构参数的对气刀性能的影响趋势相同。入口直径、内腔与入口直径差、外腔与内腔直径差、 喷嘴长度及出口宽度在所研究范围内壁面平均速度具有一个较佳范围，即每个参数的较佳水平，在这个水平内气刀的性能较好。整流槽宽度在大于5 mm时，壁面平均速度在同一大小上波动，对气刀的性能影响并不明显，因此在后续的研究中不考虑整流槽宽度的影响。将分析结果整理为表1。

表1 因素水平表 mm

3.2 正交实验

1) 实验设计

由于有5个因素，每个因素有3或4个水平，若进行全面的组合实验，则要做768组实验，实验次数较多，所以采用正交实验的方法设计实验方案。正交实验利用正交表安排少次数实验，就能找到较好的实验方案，因此正交实验被广泛应用于寻优设计[11]。

实验中，由于因素的自由度之和为15，选用正交表L16(45)，壁面平均速度为验证指标。因素C为3水平，其他因素为4水平，每个因素水平不同，采用拟水平法对正交实验方案进行改造。依据单因素实验可知，因素C在15 mm时，喷嘴的性能更好，因此把因素C的第3水平重复一次，构成4水平。改造后的实验方案及实验结果如表2所示。

表2 实验方案

2) 数据处理

极差分析为直观分析法，通过计算各因素在不同水平下的极差R，极差越大，就说明因素对实验结果的影响就越大。表3为直观分析表，从表中可以看出，因素A(入口直径)>因素E(出口宽度)>因素D(喷嘴长度) >因素C(外腔与内腔直径差)>因素B(内腔与入口直径差) ，即影响气刀性能因素的顺序为 A>E>D>C>B。

表3 直观分析表 mm

实验的验证指标为壁面平均速度，指标越大越好，应选择每个因素中最大的值对应的水平。对于因素A，B，E，第3水平最好，对于因素C，D，第1水平最好。所以相对较优方案为A3B3C1D1E3，即入口直径为15 mm，内腔与入口直径差为10 mm，外腔与内腔直径差为10 mm，喷嘴长度为25 mm，出口宽度为5 mm。此方案并不包含在已经做过的16个实验方案中，体现了正交实验设计方法的优越性。

3) 结果验证

对上述的相对较优方案进行数值模拟，得到结果见表4，从表中数据可以看出相对较优方案的壁面平均速度为13.418 m/s，相较于改进前气刀提升了20%。

表4 结果验证

4 结论

(1) 在隧道除尘中，常用的圆锥、鸭嘴及气刀喷嘴达不到除尘效果或除尘能力低，因此，需要对喷嘴进行改进。改进后的气刀壁面平均速度相较于改进前至少增加了3倍;

(2) 对改进后的气刀进行结构参数优化，先用单因素实验确定因素及水平，再用正交实验设计的方法进行优化。分析正交实验的数据后，得到相对较优的结构参数组合。经过验证，具有相对较优结构参数气刀的壁面平均速度提高了20%。