超音速噴嘴與傳統(tǒng)噴嘴噴霧對(duì)比分析

張 亮, 趙向鋒， 劉祥龍

(1. 潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 三河 065201； 3.潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046204)

煤礦粉塵能夠引起瓦斯煤塵爆炸事故和塵肺病，因此粉塵防治一直是煤礦安全生產(chǎn)和職業(yè)健康工作的重點(diǎn)。噴霧降塵是煤礦井下最常用的一種防塵技術(shù)手段，但傳統(tǒng)的壓力型霧化噴嘴水壓要求高、耗水量大、易堵塞，且霧滴粒徑較大，導(dǎo)致噴霧降塵效果不理想[1]。氣水聯(lián)動(dòng)噴霧是以壓力水和壓縮空氣作為雙動(dòng)力的新型噴霧技術(shù)，具有水壓要求低、耗水量小、霧化效果好等優(yōu)點(diǎn)，其核心部件是氣水噴嘴[2-3]。基于拉瓦爾效應(yīng)的超音速氣水噴嘴是研究新型噴嘴的重要方向之一。楊超等[4]對(duì)傳統(tǒng)噴嘴內(nèi)部錐形閥芯進(jìn)行了拉瓦爾式替換，并進(jìn)行了霧化性能分析和實(shí)驗(yàn)，表明拉瓦爾式閥芯能夠產(chǎn)生超音速氣流，對(duì)增大氣液兩相速度差有明顯效果。高全杰等[5]對(duì)超音速噴嘴流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，表明噴嘴內(nèi)氣流經(jīng)歷的是減壓增速降溫的膨脹過程，并驗(yàn)證了噴嘴設(shè)計(jì)的合理性。程江峰等[6]研究認(rèn)為隨著進(jìn)氣壓強(qiáng)增大，超音速噴嘴霧化流場內(nèi)激波不斷外移，并確定了內(nèi)噴管加速特征曲線。目前國內(nèi)外對(duì)超音速霧化噴嘴的研究多集中于冶金、內(nèi)燃機(jī)油噴霧化等方面[7-8]。本文在分析基于拉瓦爾效應(yīng)超音速氣水噴嘴霧化機(jī)理的基礎(chǔ)上，確定了超音速氣水噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用fluent軟件對(duì)超音速氣水噴嘴與傳統(tǒng)壓力旋流噴嘴噴霧進(jìn)行了模擬對(duì)比分析，能夠?yàn)槌羲賴娮斓膬?yōu)化設(shè)計(jì)及煤礦井下現(xiàn)場應(yīng)用提供一定依據(jù)。

1 超音速噴嘴霧化原理

超音速噴嘴的核心部件是拉瓦爾噴管，噴管的前半部是由大變小向中間收縮至一個(gè)窄喉，窄喉之后又由小變大向外擴(kuò)張至底部，這一架構(gòu)可使高壓氣流的速度因噴截面積的變化而變化，使氣流從亞音速到音速，直至加速至超音速，起到“流速增大器”的作用。超音速噴嘴霧化原理是通過拉瓦爾效應(yīng)作用提高噴嘴氣流速度，從而增大氣液兩相速度差，破碎的霧滴會(huì)在氣體動(dòng)力的強(qiáng)烈作用下進(jìn)一步霧化。

煤礦井下常用的傳統(tǒng)壓力旋流噴嘴，其霧化原理是高壓液體經(jīng)過噴嘴旋芯被加速進(jìn)入旋流室之后，液體在離心力的作用下飛向固壁，在旋流室的中央則形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)空腔，而后液體以相對(duì)于周圍氣體較高的速度從噴嘴噴射而出，并通過氣液之間強(qiáng)烈的剪切作用實(shí)現(xiàn)液體的霧化。

2 超音速噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

超音速噴嘴由收縮段、喉部和擴(kuò)張段三部分組成[9]。收縮段的作用是流體加速，同時(shí)要保證出口流體的均勻和平穩(wěn)；喉部是流體由亞音速加速到音速的過渡部分；擴(kuò)張段是將喉部音速流體進(jìn)一步加速到設(shè)計(jì)需要。為確定超音速噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)，假設(shè)噴嘴內(nèi)流體流動(dòng)為一維定常等熵流，氣流的滯止參數(shù)保持不變。

收縮段部分參數(shù)包括收縮角和長度，收縮角取值范圍較大，一般取15～30°，收縮段長度可采用經(jīng)驗(yàn)公式確定。喉部參數(shù)包括直徑和長度，喉部直徑過大則流體消耗量大，過小則影響霧化效果；理論上講，中間喉部長度可為零，為簡化噴嘴結(jié)構(gòu)，數(shù)值模擬分析選擇喉部長度為0。擴(kuò)張段參數(shù)也包括擴(kuò)張角和長度，擴(kuò)張角過大會(huì)導(dǎo)致出口處產(chǎn)生激波，加劇流體內(nèi)部擾動(dòng)，過小將造成較大的摩擦損失和壓力損失，降低流體出口速度下降影響，擴(kuò)張角一般取5～10°，采取經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得。基于超音速噴嘴內(nèi)流體流動(dòng)為定常等熵流，綜合分析確定的超音速噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 超音速噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 噴嘴流場數(shù)值模擬分析

3.1 噴嘴二維幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)確定的超音速噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳統(tǒng)的壓力旋流噴嘴結(jié)構(gòu)，將三維立體的兩種噴嘴簡化為二維幾何圖形，如圖1所示。兩種噴嘴的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 噴嘴二維結(jié)構(gòu)

3.2 計(jì)算模型及邊界條件

計(jì)算中超音速噴嘴流場選擇定常穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，求解器類型選用耦合隱式模式，壓力基。湍流模型選擇k-ε 模型，算法采用SIMPLE求解，混合流采用Vof模型，將空氣設(shè)為初相 ，液態(tài)水為第2相 ，外部的環(huán)境設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 ，進(jìn)口的壓強(qiáng)設(shè)為3 MPa 。空氣體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0.6，液態(tài)水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為 0.4，出口處則為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

壓力旋流噴嘴同樣采取定常穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，耦合隱式求解器及Vof模型。在兩相流中，初相為空氣 ，第2相為水 ，入口壓力為3 MPa ，空氣體積分?jǐn)?shù)為0，水的體積分?jǐn)?shù)為 1 ，出口處為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 。壓力離散方法設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)化離散 ，壓力和速度的耦合采用 SIMPLE 算法，其余設(shè)置均采用默認(rèn)。

3.3 結(jié)果及分析

圖3為兩種噴嘴的內(nèi)部流場速度云圖。霧粒速度決定著與粉塵接觸效果。如果相對(duì)速度大，兩者碰撞時(shí)動(dòng)量大，有利于克服水的表面張力，將粉塵濕潤捕獲。霧滴速度快時(shí)，其動(dòng)量大，與塵粒碰撞后迅速降落，減少粉塵在空中的停留時(shí)間和可有效地防止水在空氣中蒸發(fā)，由圖3可知，兩噴嘴的噴霧流場，在噴嘴出口處速度最大，超音速噴嘴與壓力旋流噴嘴最大速度分別為229 m/s、85.3 m/s。且在整個(gè)流場中超音速噴嘴霧滴顆粒速度始終高于壓力旋流噴嘴。

圖3 噴嘴內(nèi)部流場速度云圖

噴霧錐角在很大程度上決定了流體在流體空間的分布情況，擴(kuò)散角越大說明噴霧影響范圍越大，霧化效果越好，由圖3可，超音速噴嘴的霧化錐角和影響范圍均明顯大于傳統(tǒng)的壓力旋流噴嘴。

霧化后的液滴大小反映霧化顆粒細(xì)度，是評(píng)定霧化質(zhì)量的重要指標(biāo)。將水霧化成微細(xì)水滴噴射于空氣中與空氣中的浮塵碰撞接觸，使塵粒被快變?yōu)槁鋲m。影響水滴捕塵效果的主要因素之一是水滴粒度。采用水滴霧化細(xì)度表示水滴粒度大小的指標(biāo)，一般有平均直徑、最大直徑和中值直徑等，最常用的為索達(dá)爾直徑(SDM)。在VOF模型基礎(chǔ)上利用DPM模型分別對(duì)兩種類型的噴嘴進(jìn)行霧滴粒徑追蹤模擬。分別得到距離出口50～350 mm截面處噴嘴的霧滴顆粒直徑，如圖4所示。由圖4可知，在同一截面，超音速噴嘴的霧滴顆粒直徑總體上小于壓力旋流噴嘴；對(duì)于兩種噴嘴來說，隨著選取截面與噴嘴距離的增加霧滴粒徑呈現(xiàn)增大的趨勢。

圖4 不同截面霧滴索達(dá)爾直徑

4 結(jié) 語

1) 分別對(duì)兩種噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，對(duì)比了兩者的外流場規(guī)律及其特點(diǎn)，在外流場中，超音速噴嘴外流場霧滴顆粒速度與擴(kuò)散角都要大于傳統(tǒng)壓力旋流噴嘴。

2) 利用DPM模型分別對(duì)兩種類型的噴嘴在流場中進(jìn)行霧滴粒徑追蹤模擬，在同一截面，超音速噴嘴的霧滴顆粒直徑總體上小于壓力旋流噴嘴；隨噴霧距離的增加兩種噴嘴的霧滴粒徑均呈現(xiàn)增大的趨勢。

3) 超音速噴嘴在噴霧速度、霧化錐角、霧滴粒徑等方面要優(yōu)于傳統(tǒng)壓力旋流噴嘴，能夠有效應(yīng)用于井下噴霧降塵，超音速噴組的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)仍有待于進(jìn)一步深入研究。