磁化作用對水性質(zhì)的影響規(guī)律及噴霧除塵性能優(yōu)化研究*

王成鳳，盧守青，司書芳，李銘杰

(1.青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266520；2.山東省重點工業(yè)領(lǐng)域事故預防技術(shù)研究中心(有色冶金)，山東 青島 266520；3.青島貝里塑料有限公司，山東 青島 266520)

0 引言

近年來，隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展，煤礦、金屬礦山等的采掘機械化水平不斷提高，導致粉塵污染問題越來越嚴重[1]。據(jù)統(tǒng)計，在中國每年發(fā)生的各類粉塵爆炸事故中，煤塵爆炸事故比例高達35%[2]，這導致了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。此外，礦工長期在高濃度粉塵環(huán)境中作業(yè)，很容易患上塵肺病[3]。據(jù)國家衛(wèi)健委的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國每年報告塵肺病約2萬例，約占全部職業(yè)病報告病例總數(shù)的90%，是我國目前最為嚴重的職業(yè)病[4]。因此，礦井粉塵防治是礦井安全生產(chǎn)與職業(yè)健康迫切需要解決的重大問題。

目前，國內(nèi)外學者對這方面的問題進行了廣泛的研究。噴霧降塵技術(shù)因其操作簡單、經(jīng)濟高效，應用最為廣泛。Wang等[5]研究了強制通風風流對煤礦井下掘進工作面噴水降塵的影響；Zhou等[6]詳細研究了噴霧壓力和噴嘴結(jié)構(gòu)等影響霧滴形成方式的因素，并設計了1種新型噴嘴分布裝置；Fang等[7]研究了細水霧的粒度分布及其對噴霧降塵效果，得出不同粒徑細水霧的主要捕塵階段不同的規(guī)律；Peng等[8]通過實驗得出了噴霧霧場分布規(guī)律，找到了其最佳噴霧條件。這些研究都在不同程度上提高了噴霧降塵的效果，但是對于煤礦等礦井下疏水性強的粉塵純水濕潤能力有限。

自20世紀80年代初期我國就開始了關(guān)于磁化水應用技術(shù)的研究，如今磁化水已廣泛應用于除塵、除垢、建筑、農(nóng)業(yè)及醫(yī)療等領(lǐng)域。安燕等[9]、趙振保[10]較早提出外磁場能使水的黏度、表面張力下降；聶百勝等[11]、趙西梅等[12]對影響磁化水性能的相關(guān)參數(shù)進行研究，得出了部分規(guī)律。這些研究都表明磁場使水分子的活性增強、易于吸附在粉塵表面，增加了粉塵的潤濕性。陳梅嶺等[13]進一步對磁化水降塵的效果進行了實驗研究，得出磁化水降塵效率比非磁化水提高了16.36%，但沒有就在其他相同的情況下，磁化水噴霧濃度、顆粒粒徑等的改變展開深入的研究。

本文通過實驗測定不同磁場條件下水的表面張力和黏度，再通過數(shù)值模擬進一步分析磁化水的降塵性能，得出其降塵效果最佳的磁化條件，研究結(jié)果可為將磁化水用于礦井降塵提供理論指導。

1 實驗原理與結(jié)果分析

實驗中選取自來水作為實驗材料，為排除自來水所含的氣體等雜質(zhì)以及溫度對水體參數(shù)的影響，將水在燒杯中靜置24 h，待水體性質(zhì)穩(wěn)定后再進行實驗。實驗室環(huán)境溫度28 ℃，水溫26 ℃，選取50，100，150，200，250，300 mT 6種磁感應強度，并分別將水體磁化20，40，60，80，100，120，180，240，300，360 s后測量水體的表面張力、黏度和比熱容。

1.1 表面張力的測定

噴霧過程中需將水分散成霧滴，這個過程水體的表面張力越小，噴霧時克服表面張力做功越小，水體越容易破碎，霧滴粒徑越小，捕塵效果越好[11]。實驗中，采用JYW-200B型微控全自動表面張力儀測定不同磁化條件下水體表面張力。測量方法采用圓環(huán)法，將鉑金環(huán)浸入水中一定距離，通過測量將其拉出液面的過程中所施加的最大拉力得出液體的表面張力。測量范圍0～200 mN/m，分辨率為0.01 nN/m，實驗進行3次，自動取平均值。實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 表面張力隨磁化時間變化

圖1表明：水體經(jīng)過磁化后，表面張力相對未磁化水均有不同程度的減小；同一磁場強度下水體隨磁化時間的增加表面張力呈現(xiàn)出多極值特征，當磁化時間在0～80 s之間時，水體的表面張力急劇下降，在80 s時達到最小值，表明此時的磁化時間最佳，表面張力下降最大，之后隨著磁化時間的增加，表面張力又出現(xiàn)小幅度的波動；不同磁場強度下磁化相同時間時，水體的表面張力也有較大變化，其中磁場強度為150 mT、磁化時間為80 s時表面張力達到最小值，與未磁化水的表面張力相比下降約8.7%。

丁振瑞等[14]的實驗結(jié)果也表明自來水在不同的磁化條件下表面張力呈波動狀態(tài)，并且認為對于減小表面張力具有顯著效果的磁感應強度和磁化時間的最優(yōu)組合為(200 mT，35 min)；張園園等[15]則認為最優(yōu)組合為(800 mT，30 min)，他們要求的磁化時間較長，對實際的工程應用指導意義不大。在本實驗中以(200 mT，80 s)的條件磁化水體，表面張力下降6.3 mN/m，表明水分子間氫鍵此時以發(fā)生斷裂為主，小分子團簇結(jié)構(gòu)較多，水體表面張力較小，磁化效果較好。

1.2 黏度的測定

黏度對水噴霧效果的影響主要體現(xiàn)在霧滴粒徑分布上[13]。實驗中采用數(shù)字式黏度計測量不同磁化條件下水體的黏度值。該黏度計使用電機運轉(zhuǎn)經(jīng)過扭矩傳感器帶動轉(zhuǎn)子恒速運動。當轉(zhuǎn)子在被測液體中受到黏滯阻力時，力反饋到扭矩傳感器，經(jīng)處理得出被測液體的黏度數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 黏度隨磁化時間變化

從圖2可看出：水體經(jīng)磁化處理后黏度均減小。水體的黏度并不是隨磁化時間呈現(xiàn)出單一的變化趨勢，當磁化時間在0～100 s之間時，水體的黏度呈直線下降趨勢，在100 s時取得小值；當磁化時間在100～180 s時，水體黏度略有回升，之后隨磁化時間的延長，水體黏度又出現(xiàn)較小趨勢的波動。水體黏度隨磁場強度的變化趨勢大致相同，在磁場強度為0～200 mT時，水體黏度大多隨著磁場強度的增加而減小，在200 mT時黏度達到較小值，此后磁場強度增大，水體黏度又開始變大。其中當磁化時間為100 s、磁場強度為200 mT時，水體黏度達到最小，與未磁化水相比，水體黏度下降18.6%。

1.3 綜合分析

由上述實驗結(jié)果可知，磁化水除塵性能較好的磁場強度為150～200 mT，將150，200 mT的磁場強度下得到的磁化水的表面張力和黏度數(shù)據(jù)綜合分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 水體表面張力、黏度隨磁化時間變化

由圖3可知，水體在磁場強度為150 mT、磁化時間為80 s時表面張力達到最小值；在磁場強度為200 mT、磁化時間為100 s時，水體黏度達到最小。此外，當磁化條件為(150 mT,100 s)，(200 mT,120 s)時，水體的表面張力、黏度處于較低水平。因此，本文采用數(shù)值模擬的方法對這4種不同磁化條件處理下水體噴霧(表1)進行進一步的研究，以找出磁化水噴霧降塵性能最佳的磁化條件。

表1 水體降塵性能可能的最優(yōu)磁化條件

2 數(shù)值模擬與討論

計算流體力學是利用電子計算機和離散化的數(shù)值方法對流體力學問題進行數(shù)值模擬和分析的一個分支，其能夠模擬復雜條件下的工況，盡可能再現(xiàn)實際工況，彌補目前實驗研究的不足。基于此，本文利用ANSYS Fluent軟件對噴霧場進行數(shù)值模擬，探究不同磁化條件下水體表面張力和黏度的變化對噴霧的濃度、粒徑的影響，從而提高噴霧除塵效率，改善礦井工作環(huán)境。

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文采用ANSYS中的SCDM繪制幾何模型。將礦井巷道簡化為1個長方體模型(6 m×4 m×3.5 m)，噴嘴設置在2 m×2 m×3.5 m處，其中X軸、Y軸、Z軸分別代表巷道長度即進風方向、寬度方向、高度方向，巷道內(nèi)是空氣流域。采用ANSYS Fluent Meshing對所建立的幾何模型進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格選用正六面體核心型(Poly-Hexcore)網(wǎng)格，該模型劃分體網(wǎng)格最小正交質(zhì)量等于0.4，最大縱橫比等于7，最大扭斜度小于0.3，網(wǎng)格質(zhì)量較高有利于計算結(jié)果的快速收斂，其幾何模型和網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 幾何模型及網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)值模擬條件設置

根據(jù)表1的實驗結(jié)果設置噴霧源的邊界條件及具體顆粒參數(shù)見表2。通過參考馮振[16]的研究，將液滴質(zhì)量流量設為0.15 kg/s，參考Liu等[17]對于最佳噴霧參數(shù)的研究，設置噴嘴直徑為2.4 mm。

表2 邊界條件及顆粒源參數(shù)設定

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在研究磁化水降塵性能之前，需要先確定水體噴射壓力。在此基礎上模擬磁化對噴霧濃度、粒徑的影響，從而確定水體用于降塵時的最佳磁化條件。

2.3.1 噴霧壓力對噴霧場的影響

為確定噴霧降塵的最佳噴射壓力，本文將數(shù)值模擬的噴射壓力設置為2～5.5 MPa(壓力區(qū)間為0.5 MPa)，分析未磁化水體的噴霧濃度的變化規(guī)律，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 未磁化水噴霧濃度隨壓強變化

從圖5可看出，不同噴射壓力下噴霧濃度呈現(xiàn)出相同的變化趨勢：在射流中心線上，從噴嘴出口到巷道底面，噴霧濃度逐漸增加；從射流中心到邊緣，噴霧濃度逐漸降低。水體在噴嘴出口處發(fā)生了第1次霧化，部分射流沒有完全霧化；隨著距離噴嘴出口距離的增加，噴霧發(fā)生2次破碎，水體被完全霧化形成液體顆粒，導致噴嘴中心線上噴霧濃度增加；最后，在氣流、壓力等的作用下，噴霧向四周擴散，濃度逐漸降低。隨著噴霧壓力從2 MPa增加到5.5 MPa，噴霧濃度逐漸增大。具體地說，當噴射壓力從2 MPa增加到4 MPa時，在不同的噴射壓力下形成的噴霧場呈現(xiàn)出顯著的色差，說明在該范圍內(nèi)隨著噴射壓力的增加噴霧濃度變化很大。當噴射壓力繼續(xù)增加到4.5～5.5 MPa時，不同噴射壓力下形成的噴霧場間色差輕微，說明當噴射壓力大于4 MPa時噴霧濃度的變化趨于平緩。

為進一步表示霧滴分布特性并評價其霧化質(zhì)量，引入D10，D20，D30，D32，D435個參數(shù)，其中：D10為粒徑算術(shù)平均值，即粉塵直徑的總和除以粉塵的顆粒數(shù)；D20為表面積平均徑值，即粉塵表面積的總和除以粉塵的顆粒數(shù)；D30為體積平均徑值，即粉塵體積的總和除以粉塵的顆粒數(shù)；D32為索太爾平均徑值，即粒徑對表面積的加權(quán)平均；D43為質(zhì)量矩體積平均徑值，即粒徑對體積的加權(quán)平均。在不同噴射壓力下噴霧場中液滴粒徑參數(shù)如圖6所示。

圖6 液滴粒徑隨噴射壓力變化

由圖6可知，隨著噴射壓力的增加，霧滴粒徑減小的速度減緩。此外，噴射壓力從5 MPa增加到5.5 MPa時，霧滴粒徑略有增加，這可能與高壓力加速了液滴的碰撞有關(guān)。噴霧粒徑越小，與粉塵的接觸機會越大，降塵效果越好，因此，可得出結(jié)論：噴霧降塵較理想的噴射壓力是5 MPa。

2.3.2 磁化水噴霧降塵性能分析

水體磁化后由于噴嘴直徑、用水量、噴射壓力以及霧化機理等并未發(fā)生改變，所以噴霧質(zhì)量濃度幾乎不變。但水體表面張力、黏度改變，水體破碎難易度改變，霧滴粒徑隨之改變，故此處引入平均粒徑(mean diameter)和最大粒徑(max diameter)2個參數(shù)分析霧滴粒徑的變化。

上文已確定水體噴霧降塵的最佳噴射壓力為5 MPa，在此壓力下通過模擬得到表1中4種磁化水以及未磁化水噴霧的霧滴粒徑分布，結(jié)果如圖7所示。

圖7 液滴粒徑隨磁化條件變化

從圖7可看出，水體磁化后霧滴粒徑均大幅減小。其中，1號磁化水的平均粒徑、最大粒徑均最小；2號、3號磁化水的平均粒徑幾乎相同，二者僅相差8 μm，但3號最大粒徑較小，說明3號磁化水的霧滴粒徑分布較均勻；4號磁化水的平均粒徑又出現(xiàn)大幅增加。在1～4號磁化水中，1號磁化水的表面張力最小，黏度較大，模擬結(jié)果表明其平均粒徑、最大粒徑均最小，這說明表面張力的大幅下降更有利于提高磁化水的霧化效果。

綜上所述，可得出結(jié)論：噴霧降塵性能最好的是1號磁化水，即最佳的磁化條件是在磁場強度為150 mT時磁化80 s。經(jīng)磁化處理后噴霧霧滴的平均粒徑減少39.6%，最大粒徑減少16.4%，霧滴與粉塵接觸機會大大增加，噴霧降塵效率提高。

3 結(jié)論

1)磁場強度為150 mT、磁化時間為80 s時，表面張力達到最小值，與未磁化水的表面張力相比下降約8.7%；當磁化時間為100 s、磁場強度為200 mT時，水體黏度達到最小，與未磁化水相比，水體黏度下降18.6%。

2)當噴射壓力為5 MPa時，未磁化水的霧化效果較好，噴霧濃度較大；在此壓力下，磁場強度為150 mT、磁化時間為80 s時，磁化水霧滴平均粒徑減少39.6%，最大粒徑減少16.4%，霧滴粒徑小且分布較均勻，降塵性能提升。