同向风速对内混式空气雾化喷嘴雾化特性的影响研究

陈清华，宋皓然，崔锦琼，李先保，吴苏里江

（1.安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 环境友好材料与职业健康研究院（芜湖），安徽 芜湖 241003；3.江西安源通风设备有限公司，江西 萍乡 337000）

喷雾降尘是目前国内外普遍采用的有效湿式降尘方式[1-2]，而空气雾化喷嘴作为一种新型雾化喷嘴，相比传统压力喷嘴，具有耗水量小、雾化效果好、对水压要求低及降尘效率高等优势[3-5]，因此被广泛应用于矿山采掘作业场所粉尘防治领域。为此，国内外学者进行了大量相关研究，如Han 等[6]利用Fluent 软件和实验，研究了供水压力对内混式喷嘴雾化特性和降尘效率的影响，得到了供水压力与全尘降尘效率和呼吸性粉尘降尘效率之间的关系；蒋仲安等[7]为提高气水喷嘴在煤矿井下高浓度粉尘作业场所的喷雾降尘效率，通过实验研究了气水喷嘴的雾化特性参数，得出了雾滴平均直径与气、水流量的变化规律；吴恩启等[8]为提高喷嘴雾化效率，提取了不同结构喷嘴的喷雾粒径和雾化锥角分布，得到了喷嘴气液夹角与雾化效果之间的关系。除了喷嘴自身结构和水压、气压外，巷道风流场也会对喷雾降尘效果造成一定影响。相关研究表明，随着巷道内横向风速的增加，雾滴粒径表现出增大趋势[9]，雾滴与粉尘碰撞沉降的概率相应变小，不利于降尘效率的提高[10]。因此研究风流场对内混式空气雾化喷嘴雾化效果的影响规律十分必要。基于此，通过数值模拟的方法，对不同条件下雾滴质量浓度和液滴粒径分布进行研究，以掌握同向风速对喷嘴雾化特性的影响规律。

1 数值模拟

1.1 数值仿真模型

选用内混式空气雾化喷嘴，内混式空气雾化喷嘴主要由可调式节流杆、气相入口、液相入口、混合室、喷雾出口5 个部分组成。内混式空气雾化喷嘴结构示意图如图1。

图1 内混式空气雾化喷嘴结构示意图Fig.1 Structure diagrams of internal mixing air atomizing nozzle

工作原理：一定压力的气体和水分别从气相入口和液相入口进入雾化喷嘴，并在水流和高压气体混合室混合，后由喷雾出口喷出，经历1 次破碎和2次破碎后形成许多细小水粒，与含尘气体接触后起到降尘效果。

简化工作面中喷雾过程的物理模型，利用Ansys FluentDPM（discrete phase model）中提供的空气雾化模型对喷嘴雾化性能进行研究。流场模拟计算域为0.6 m×0.6 m×3 m 的立方体，原点即为雾化喷嘴中心且位于立方体一侧（yz 面），喷雾方向为x向，重力垂直向下，同向风方向为x 向，内混式空气雾化喷嘴仿真模型如图2。采用结构化网格进行网格划分，最小尺寸为10 mm，总网格数为111 万。

图2 内混式空气雾化喷嘴仿真模型Fig.2 Simulation model of internal mixing air atomizing nozzle

数值计算湍流模型为标准k-ε 模型，同时选用SSD 破碎模型描述喷雾过程中的雾滴破碎，dynamics drag 模型来描述滴液在运动过程中所受到的曳力。设置喷嘴所在侧面为速度入口边界，空气速度为0～3 m/s，其相对面为压力出口。速度与压力的耦合采用基于同位网格的SIMPLE 算法。

1.2 数值仿真方案

为了掌握同向风速对喷雾雾化效果的影响，分别从同向风对喷嘴雾化效果的影响以及不同入口压力条件下喷嘴的抗风能力2 个方面进行研究。选用的空气雾化喷嘴相关参数依据仿真以及试验综合所得，喷嘴出口直径为2 mm，仿真方案对应参数见表1。

表1 仿真方案对应参数Table 1 Simulation scheme parameters

对不同喷嘴入口压强条件分别添加0～3 m/s 的同向风速并进行仿真分析。然后在距离喷嘴0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m 处统计液滴平均粒径。由于无法直接通过图像来判定喷雾的整体效果，因此根据其雾滴粒径、雾滴浓度来判定喷雾效果。在评价喷嘴雾滴粒径过程中引入累计分布90%处的直径D90和索特尔直径（SMD）D[3,2]。索特尔直径D[3,2]计算[11]如下：

式中：N 为液滴总数；Di为第i 个液滴的直径。

2 同向风速影响下的雾化特性

2.1 同向风速对喷雾效果的影响

当供水压力为0.4 MPa，供气压力为0.5 MPa时，空气雾化喷嘴z=0.3 m 平面上，不同同向风速度条件下雾滴浓度分布如图3。从图3 可知，喷嘴入口压力条件不变时，当同向风速为0 m/s 时，喷雾距离分别为1.8 m，而当同向风速为3 m/s 时，喷雾距离为2.7 m。说明在其他条件相同时，同向风速越大，喷雾的射程越远。

图3 不同同向风速度条件下雾滴浓度分布Fig.3 Mass concentration distribution of droplets under different wind speeds in the same direction

当供水压力为0.4 MPa，供气压力为0.5 MPa时，在喷嘴前方0.2～1.0 m 处，同向风速作用下雾滴平均直径如图4。

图4 同向风速作用下雾滴平均直径Fig.4 Average droplet diameter under the action of the same wind speed

从图4 可以看出，当喷嘴同向风速增加时，雾滴平均粒径会随之减少，并且当同向风速越大时，粒径减少的程度也越大。如在检测距离为1.0 m 时，当同向风速为1 m/s 时，平均直径D[3,2]为33.7 μm，与0 m/s 下的平均直径D[3,2]相比下降了1.5 μm；而当同向风速为3 m/s 时，平均直径D[3,2]为29.2 μm，与0 m/s 下的平均直径D[3,2]相比下降了5.95 μm。对比同种风速条件下检测距离和粒径关系可以发现，当检测距离越远时，同向风对雾滴特征颗粒和平均粒径的减少作用更加明显。如同向风速为0 m/s 和2 m/s情况下，在0.2 m 处时，平均直径D[3,2]增加0.15 μm，平均直径基本没有发生变化；而在1.0 m 处时，平均直径D[3,2]减少量为3.5 μm，平均直径发生了较为明显的减小。

2.2 入口压力对喷雾效果的影响

入口水压为0.4 MPa，入口气压为0.3 ～0.5 MPa，同向风速为0～3 m/s 作用下，空气雾化喷嘴前方1.0 m 处，同向风速影响下供气压力对雾滴特征直径影响如图5。从图5 可以看出，随着入口气压逐渐增加，同向风对雾滴特征直径D90的影响逐渐增大。如当入口水压为0.4 MPa，检测距离为1.0 m 的情况下，在入口气压为0.3 MPa 时，同向风速0 m/s与3 m/s 的雾滴特征直径差值为7.2 μm，而在入口气压为0.5 MPa 时，同向风速0 m/s 与3 m/s 的雾滴特征直径的差值为16.6 μm。

图5 同向风速影响下供气压力对雾滴特征直径影响Fig.5 Influence of air supply pressure on characteristic diameter of droplet under the influence of the same wind speed

入口气压为0.4 MPa，入口水压为0.3 ～0.5 MPa，同向风速为0～3 m/s 作用下，空气雾化喷嘴前方1.0 m 处，同向风速影响下供水压力对雾滴特征直径影响如图6。

图6 同向风速影响下供水压力对雾滴特征直径影响Fig.6 Influence of water supply pressure on characteristic diameter of droplet under the influence of the same wind speed

从图6 可以得出，随着水压增加，同向风对雾滴特征直径D90的影响逐渐减小。如当入口气压为0.4 MPa，检测距离为1.0 m 的情况下，在入口水压为0.3 MPa 时，同向风速0 m/s 与3 m/s 的雾滴特征直径D90的差值为19.0 μm，而在入口水压为0.5 MPa 时，同向风速0 m/s 与3 m/s 的雾滴特征直径D90的差值为5.4 μm。并且当风速小于1 m/s 时，同向风对雾滴粒径造成的影响较为平缓。

3 结 论

1）喷雾射程前0.6 m，气流对雾滴直径影响较小，0.6 m 前D[3,2]最大差值为0.8 μm，在喷嘴喷雾射程0.6 m 之后，随着风速的增加，气流对雾滴直径影响越大，且随着距离的增加该作用更加明显，0.6 m后D[3,2]最大差值为6.0 μm。

2）当其他条件相同时，在同向气流的作用下，雾滴颗粒直径随风速的增大而减小，有利于降尘效率的提高，喷雾射程随风速的增大而增大。

3）供水压力恒定时，随着气压的增加，气流对雾滴粒径影响逐渐增大，而供气压力固定时，随着水压的增加，气流对雾滴粒径影响逐渐减小。

4）在除尘现场使用时，将能产生同向气流的设备与空气雾化喷嘴结合使用能够有效的增加喷雾距离和雾化除尘效果。