超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化影響因素實驗研究*

張小偉，葛少成，張 天，荊德吉，陳 曦，孫麗英，韓宗琪

(1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024;2.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

眾所周知，噴霧除塵是礦山采掘現場最主要的防塵措施[1-5]，大量研究表明，噴霧除塵能有效減少塵肺病危害[6-8]。隨著我國煤炭生產行業高速發展，噴霧除塵研究得到了進一步的發展。周剛等[9]通過分析氣流中液滴的運動狀態，對典型噴霧降塵機理進行理論上的改進；蔣仲安等[10]從氣液兩相流角度和霧滴破碎理論給出了內混式噴嘴霧化模型；王鵬飛等[11]通過改變噴嘴氣液壓力得出了霧場霧滴粒徑分布規律；張延松等[12]在煤礦開展了綜放工作面噴霧降塵現場試驗，取得了較好的降塵效果。但是常規噴霧除塵技術所采用的傳統壓力噴嘴和氣液兩相噴嘴存在霧化效果差、降塵效率低等缺陷。因此，提高噴嘴的霧化能力才是解決噴霧降塵問題的關鍵所在，本文作者團隊研發的新型超音速虹吸式空氣霧化噴嘴采用拉瓦爾結構，霧化性能得到進一步改善[13]。借助自行設計開發的噴霧特性測試系統對新型超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化機理和霧化特性展開研究，并與傳統氣液兩相噴嘴和壓力噴嘴進行對比分析，研究結果對除塵噴嘴霧化性能的不斷提高具有理論和實踐借鑒意義。

1 超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化機理

1.1 超音速虹吸式空氣霧化噴嘴結構

超音速虹吸式空氣霧化噴嘴剖面如圖1所示。當氣體以一定的壓力經過具有拉瓦爾結構的噴嘴時，氣流速度將會被加速到超音速，以極高的效率增大了氣流與水流的相對速度，同時在探針部位造成較大負壓，得以實現對液體的虹吸功能。液體流過探針后抵達拉瓦爾噴嘴出口段，在此部位液體與氣流的速度差達到最大。

1-外殼；2-保護帽；3-內芯；4-拉瓦爾型噴管；5-探針；6-儲水腔；7-導流腔；8-聯通槽；9-入水口；10-密封圈

1.2 超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化機理

依據不穩定表面波理論及空氣動力破碎理論，霧化的主要原因是液體通過探針在拉瓦爾噴嘴出口段被吸出，并與噴出的超音速氣流相撞，此時液體速度遠小于氣體速度，在空氣動力作用下，產生的劇烈摩擦會使液體表面受到巨大剪切力，液體被拉成無數細水絲，并分裂成小液滴，如圖1所示。即液體受到非均勻的壓力擾動而發生變形，當擾動形成的不穩定波大到足以克服液體表面張力時，液體就會形變破碎，撕裂成更小的液滴[14]。

根據流體力學線性不穩定分析可知振幅A計算如式(1)：

A=A0eωt

(1)

式中：A0為初始振幅，m；ω為角頻率，Hz；t為時間，s。

振幅波角頻率計算如式(2)：

(2)

式中：k為表面波數，m-1；c為表面波速，m/s；Ur為氣液速度差，m/s；ρg為氣體密度，kg/m3；ρl為液體密度，kg/m3；μl為液體黏度，Pa·s；β為Jeffrey常數，取0.3。

其中，k，c計算分別如式(3)和式(4)：

(3)

(4)

式中：λ為波長，nm；σl為液體表面張力，N/s。

定義液膜破碎臨界波長λc如式(5)：

(5)

由以上推導可知，氣液速度差Ur所決定的液膜破碎臨界波長λc十分關鍵。當氣液速度差Ur較大，噴嘴出口處形成的擾動波λ比液膜破碎臨界波長λc大時，振幅波角頻率ω為正數，則振幅A增加迅速，使氣體造成的擾動作用增大，波動振幅大于臨界振幅之后，液體就會發生破碎。超音速氣流不僅可以在拉瓦爾管出口段使液體表面形成強烈的擾動波使其破碎，而且也給破碎的液滴提供了初始動能，使液滴高速運動。當液滴離開噴嘴一定距離后，由于空氣阻力對超音速氣流的影響，氣液速度差Ur減小，形成的擾動波λ比液膜破碎臨界波長λc小時，振幅波角頻率ω為負數，則振幅A衰減迅速，氣體造成的擾動作用減小，而液體表面張力作用較大，液滴破碎過程結束。

2 噴嘴霧化實驗系統及方案

2.1 實驗噴嘴的選取

噴嘴作為噴霧降塵核心部件，按工作原理不同分為氣液兩相噴嘴和壓力噴嘴。礦山噴霧降塵選用較多的氣液兩相噴嘴為超音速虹吸式空氣霧化噴嘴和內混式空氣霧化噴嘴，選用較多的壓力噴嘴為X旋流型壓力噴嘴(后文分別用超音速噴嘴、內混式噴嘴和壓力噴嘴代替)，本實驗選用噴嘴如圖2所示。

圖2 選用噴嘴

2.2 實驗系統

太原理工大學粉塵實驗室噴霧特性測試系統由噴霧系統和霧滴分析系統組成，如圖3所示。

噴霧系統用于給被測試噴嘴提供穩定持續的氣壓和水壓，其主要由空壓機、氣體調壓閥、高壓水泵、噴嘴、噴嘴固定支架、儲水箱組成。井下最大供氣壓力0.5 MPa，最大供水壓力12 MPa，故本實驗設置供氣壓力變化范圍為0.1～0.5 MPa，供水壓力變化范圍為0.1～12 MPa[15]。

霧滴分析系統用于對噴嘴噴出的霧滴粒徑進行測算，其主要由實時噴霧激光粒度分析儀和計算機分析控制系統組成。實時噴霧激光粒度分析儀選用德國新帕泰克有限公司的HELOS (H4116) & UNIVERSAL。計算機分析控制系統使用PAQXOS 4.1測量軟件，PAQXOS 4.1軟件可定義、控制整個測量過程，并同時處理測量的粒度分布數據、顯示結果并打印報告。

2.3 實驗方案

第1組實驗為探究噴霧距離對超音速噴嘴霧化特性的影響，噴嘴進氣口連接空壓機，進水口連接儲水箱。采用孔徑為1.0 mm的超音速噴嘴在供氣壓力為0.5 MPa時，分別對距離噴嘴出口軸線100～2 000 mm每隔100 mm處進行霧滴粒徑測量，其結果可說明超音速噴嘴在一定距離內的霧滴粒徑分布規律。

第2組實驗為探究供氣壓力對超音速噴嘴霧化特性的影響，噴嘴進氣口連接空壓機，進水口連接儲水箱。采用孔徑為1.0 mm的超音速噴嘴在供氣壓力為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 MPa時，分別對距離噴嘴出口軸線100～2 000 mm每隔100 mm處進行霧滴粒徑測量，其結果可說明超音速噴嘴在供氣壓力0.1～0.5 MPa時的霧滴粒徑分布規律。

第3組實驗為超音速噴嘴、內混式噴嘴和壓力噴嘴的對比分析。內混式噴嘴進行實驗時，噴嘴進氣口連接空壓機，進水口連接高壓水泵。壓力噴嘴進行實驗時，噴嘴進水口連接高壓水泵。以上3種噴嘴孔徑均為1.0 mm，分別對距離噴嘴出口軸線100～2 000 mm每隔100 mm處進行霧滴粒徑測量，其結果可說明超音速噴嘴、內混式噴嘴和壓力噴嘴在一定距離內的霧滴粒徑分布規律。

3 噴嘴霧化實驗結果及分析

3.1 噴霧距離對超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化特性的影響

在探究距離噴嘴不同位置對霧滴粒徑影響的實驗中，由霧滴粒徑隨距離變化(圖4)可知：霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD隨著噴嘴出口軸向距離的增加而增大，且在100～300 mm增大速度較快，在300 mm后增大速度明顯下降。因為在噴嘴出口處霧滴速度極快，霧滴在距離噴嘴300 mm內受空氣阻力影響較大，此時霧滴在霧場中飛行容易發生碰撞聚合，導致霧滴增大速率相對較高。霧滴在距離噴嘴300～2 000 mm之間速度逐步趨于穩定，受空氣阻力影響較小，此時霧滴在霧場中飛行碰撞聚合不劇烈，從而霧滴增大速率相對減緩。

圖4 超音速噴嘴霧滴粒徑分布(0.5 MPa)

由霧滴粒徑分布頻度隨距離變化(圖5)可知：霧滴粒徑頻度分布較為集中，噴嘴出口軸向距離由100 mm增加至2 000 mm時，霧滴粒徑中心趨勢向粒徑增大方向偏移較小，眾數在17.5～21.9 μm之間遞增，說明超音速噴嘴在供氣壓力為0.5 MPa時由于噴霧距離引起的霧滴粒徑變化較小。

圖5 超音速噴嘴霧滴粒徑頻度分布(0.5 MPa)

3.2 供氣壓力對超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化特性的影響

在探究供氣壓力變化對霧滴粒徑影響的實驗中，由霧滴粒徑隨供氣壓力變化(圖6)可知：在距離噴嘴出口同一位置時，隨著噴嘴供氣壓力的增大，霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD逐漸減小。由于超音速噴嘴為拉瓦爾同一位置時，隨著噴嘴供氣壓力的增大，霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD逐漸減小。由于超音速噴嘴為拉瓦爾結構，當供氣壓力越大，噴嘴出口段氣體速度越大，從而對液滴造成的剪切力越大，使得霧滴破碎效果越好。

圖6 超音速噴嘴特征粒徑分布

距離噴嘴不同位置時，供氣壓力為0.1～0.4 MPa霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD變化趨勢與供氣壓力為0.5 MPa時基本一致，見3.1。以SMD為例，超音速噴嘴在供氣壓力為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 MPa時的霧滴粒徑變化范圍分別是25.9～29.15，23.63～28.72，22.63～27.74，21.16～25.38，20.87～23.71 μm。超音速噴嘴在供氣壓力在0.1～0.5 MPa范圍內均能達到較好霧化效果。

在供氣壓力為0.1～0.5 MPa范圍內，距離噴嘴2 000 mm位置時，超音速噴嘴霧滴粒徑以SMD為例，其變化范圍在23.46～31.16 μm，表明超音速噴嘴在射程在達2 000 mm時霧滴仍保持在理想粒徑范圍內。

3.3 超音速虹吸式空氣霧化噴嘴、內混式空氣霧化噴嘴和X旋流型壓力噴嘴的對比分析

本次實驗得到了大量數據，可知超音速噴嘴在供氣壓力0.5 MPa時霧化效果最好，內混式噴嘴在供氣壓力0.3 MPa、供液壓力0.3 MPa時霧化效果最好，壓力噴嘴在供液壓力6 MPa時霧化效果最好。

由霧滴粒徑隨距離變化(圖7)可知：3種噴嘴霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD均隨著噴嘴出口軸向距離的增加而增大，內混式噴嘴和壓力噴嘴霧滴粒徑增大速率遠大于超音速噴嘴。在距噴嘴100～2 000 mm范圍內，超音速噴嘴霧化效果穩定，霧滴粒徑變化幅度較小，而內混式噴嘴和壓力噴嘴霧化效果不穩定，霧滴粒徑變化幅度較大。

圖7 霧滴粒徑分布

由霧滴粒徑分布頻度隨距離變化(圖8)可知：超音速噴嘴霧滴粒徑頻度分布較為集中，隨著噴霧距離的增加，霧滴粒徑中心趨勢向粒徑增大方向偏移較小，眾數在17.5～21.9 μm之間遞增，霧滴粒徑變化較小。內混式噴嘴霧滴粒徑頻度分布較為分散，隨著噴霧距離的增加，霧滴粒徑中心趨勢向右偏移較大，眾數在23～137 μm之間遞增，霧滴粒徑變化較大。壓力噴嘴霧滴粒徑頻度分布最為分散，隨著噴霧距離的增加，霧滴粒徑中心趨勢向右偏移最大，眾數在24～154 μm之間遞增，霧滴粒徑變化最大。由于3種噴嘴結構和霧化方式不同，噴出的霧流結構也各不同，超音速噴嘴霧滴速度較大，霧區邊緣和中心速度偏差較小，破碎和凝并2種作用差異較小，霧滴分散均度較好，霧滴粒徑分布頻度只出現1次峰值；而內混式噴嘴和壓力噴嘴霧滴速度較小，霧區邊緣和中心速度偏差較大，破碎和凝并2種作用差異較大，使邊緣和中心處霧滴粒徑分布頻度出現2個峰值。

圖8 霧滴粒徑頻度分布

由超音速噴嘴、內混式噴嘴和壓力噴嘴在不同距離下的霧滴粒徑對比(圖9)可知：在距離噴嘴300～2 000 mm范圍內，3種噴嘴霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD的對比中，超音速噴嘴霧滴粒徑始終小于內混式噴嘴和壓力噴嘴。以SMD為例，超音速噴嘴、內混式噴嘴和壓力噴嘴在300～2 000 mm距離內的霧滴粒徑變化范圍分別是20.48～23.46，44.00～90.07，49.85～85.53 μm。在噴嘴各自最佳工況下的對比實驗中，超音速噴嘴SMD比內混式噴嘴和壓力噴嘴小53.5%～74.0%。

圖9 霧滴粒徑對比

4 結論

1)由超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化機理可知，噴嘴出口段氣液速度差主要取決于噴嘴供氣壓力，相比內混式空氣霧化噴嘴和X旋流型壓力噴嘴，有效射程內霧滴破碎充分，霧化效果更好。

2)當氣壓固定時，隨著與噴嘴出口軸線距離的增加，霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD也逐漸增加，但增加幅度較小。同時，霧滴頻度分布也隨之向粒徑增大方向偏移，但偏移幅度較少，整體分布較為集中。噴霧距離對超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧化特性影響不大，超音速虹吸式空氣霧化噴嘴具有射程遠，粒徑小的特點。

3)在不同供氣壓力條件下，噴霧距離變化對霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD變化趨勢基本一致。當噴霧距離固定時，隨著供氣壓力的減小，霧滴D10，D50，D90，SMD，VMD逐漸增大，但增大幅度較小。供氣壓力為0.1～0.5 MPa范圍內，超音速虹吸式空氣霧化噴嘴在霧場軸線位置均可達到理想霧滴粒徑。

4)隨著距噴嘴距離的增大，超音速虹吸式空氣霧化噴嘴霧滴頻度分布向粒徑增大方向偏移量遠小于內混式空氣霧化噴嘴和X旋流型壓力噴嘴。