單級沖擊采樣器切割頭氣流特性及切割粒徑研究

吳政江 彭小勇 陳麗園

南華大學土木工程學院

0 引言

慣性沖擊采樣器是一種測量空氣中顆粒物濃度的裝置。切割頭是采樣器內部非常重要的構件，作用為進行細顆粒物的分級和采樣。2006 年，國內學者劉運席等[1]設計出七級不同粒徑范圍的顆粒物采樣器，并增加了旋轉收集功能，使得顆粒物收集更加均勻，填補了國內采樣器研究領域的空白。2013 年孫奇等[2]通過研究撞擊效率與無量綱數之間的關系，發現常規撞擊采樣器對高溫顆粒的粘附效果更好。

為研究切割頭噴嘴伸入空腔內對切割效率的影響，本文建立了噴嘴處不同的兩種結構模型，通過分析切割器內部流場和無量綱數曲線來探究噴嘴處結構對捕捉效率的影響機理。

1 物理模型及數值方法

圖1 給出了單級沖擊采樣器切割頭物理模型，其中圖1（a）為模型1（噴嘴末端平齊模型外壁），具體尺寸為：空氣入口直徑4 mm，空氣入口漸縮段小口直徑2 mm，管長16 mm，噴嘴到沖擊板的距離為6 mm，捕捉面直徑為10 mm，沖擊板直徑為15 mm，外壁直徑18 mm，空氣出口處直徑10 mm，長度12 mm。圖1（b）為模型2（噴嘴末端向下延伸），模型二尺寸與模型一基本相同，噴嘴處有所差異，噴嘴向下延伸2 mm。

圖1 沖擊采樣器切割頭物理模型

采樣器內部空氣流動滿足低速不可壓縮湍流流動，湍流模型采用標準κ-ε 模型。采用離散項模型（DPM）對顆粒物運動進行模擬。采用穩態壓力基求解器，速度與壓力基的耦合選用SIMPLE 算法，動量、能量和湍動能均采用一階迎風的差分格式進行離散。單級沖擊采樣器切割頭邊界條件設置見表1，其中沖擊板上有捕捉面用于捕捉顆粒物，其表面較為粗糙，在實際使用時會均勻涂抹凡士林來防止顆粒物反混，故捕捉面DPM 項設為Trap。為得到較準確的計算結果及較快的收斂速度，對噴嘴、捕捉面及沖擊板周圍進行局部加密，所有網格都采用六面體結構化網格，并采用O 型網格劃分方式。網格數量約為80 W，質量均在0.65 以上。

表1 邊界條件設置

2 模擬結果及分析

2.1 切割頭流場分析

在模型中心進行XOY 面切片，對入口速度為7 m/s 的速度流線圖進行分析，如圖2。空氣離開噴嘴后貼近沖擊板壁面流動，兩模型在捕捉面附近的速度流線無明顯差異。

圖2 速度流線圖及局部放大圖

為進一步分析，分別在模型一、模型二XOY 平面取三條觀測線段（X 取值為（-1.5，1.5），見圖4）：分別位于捕捉面上方0.85 mm、0.45 mm、0.05 mm 處。觀測線2 位于捕捉面往上0.45 mm 處、觀測線3 位于捕捉面往上0.05 mm 處。每條線段長3 mm，分等距取31 個點繪制速度曲線圖。觀測線位置見圖3，觀測線速度曲線見圖4。

圖3 觀測線示意圖

由圖4 可知，隨著高度的減小，在靠近捕捉面的位置，模型二中心處的速度比模型一小，隨坐標位置的向外移動兩個模型速度均有所增大，且模型二增速更快，在與噴嘴管徑相同坐標位置的時候，即X=-1 mm 和X=1 mm 處，兩個模型速度相同。而后，坐標越遠離中心位置，模型二外側速度大于模型一，且差值逐漸增大。模型二曲線曲率較大，速度改變較快，根據慣性撞擊原理，顆粒物不易克服慣性改變運動軌跡從而撞擊在捕捉面上，因此模型二對于顆粒物捕捉效果更好。

圖4 觀測線速度曲線圖

2.2 顆粒物軌跡分析

設粒徑為0.5 μm、1 μm、1.5 μm、2 μm、2.5 μm、3 μm、3.5 μm、4 μm、4.5 μm、5 μm 十種球形惰性顆粒物，其密度均為1000 kg/m3。在DPM 數值計算時，考慮曳力和重力作用。

入口速度為7m/s 時，對粒徑為1.5 μm、1 μm、1.5 μm、2 μm 四種顆粒物的運動軌跡進行研究，每種粒徑顆粒物在入口處分別釋放200 個，由圖5 可知，粒徑為1 μm 顆粒物大約有50 個繞過沖擊板從出口處流出，粒徑為1.5 μm 的顆粒物大約有10 個繞過沖擊板，而粒徑為2 μm 及2.5 μm 的顆粒物全部捕捉面捕捉；由圖6 可知，粒徑為1 μm 和1.5 μm 的顆粒物幾乎都可以繞過沖擊板，而粒徑為2 μm 的顆粒物約有50 個繞過沖擊板從出口流出，粒徑為2.5 μm 的顆粒物全部捕捉面捕捉。模型一對粒徑為1.5 μm、1 μm、1.5 μm、2 μm 四種顆粒物的捕捉率較高，但由于粒徑1 μm、1.5 μm 的小顆粒物逃逸率較低，反而導致其切割效果不佳，無法有效通過粒徑對顆粒物進行區分。而模型二對粒徑1.5 μm 和2 μm 的顆粒物捕捉效果差異較大，可以有效地通過粒徑對顆粒物進行選擇性捕捉。

圖5 模型一在V=7 m/s 時的顆粒物軌跡圖

圖6 模型二在V=7 m/s 時的顆粒物軌跡圖

無量綱數Stoke 數[3]是用來描述慣性采樣器切割頭顆粒物動力學行為，表征捕捉率的重要參數之一，它也常被用于描述顆粒物離開流線難易程度。為更好的研究兩個模型在切割顆粒物時的區別，引入對兩個模型切割效果進行評價

選取粒徑1 μm 至3.5 μm，入口速度0.6 m/s、1 m/s、2 m/s、4 m/s 的顆粒物，計算出，并選取作為橫坐標，捕捉率（沖擊面上被捕捉的顆粒物總數與速度入口顆粒物總數之比）為縱坐標，見圖7。

圖7 數與捕捉率散點圖

2.4 顆粒物粒徑與捕捉率分析

選取粒徑0.5 μm 至5 μm 的顆粒物（密度ρp=1000 kg/m3），當入口速度為0.6 m/s、1 m/s、2 m/s、4 m/s、7 m/s 時，顆粒物捕捉率隨粒徑變化曲線見圖8。由圖8 可見，入口速度為V=0.6 m/s 時，模型一和模型二切割頭對粒徑4 μm 以下的顆粒物幾乎沒有捕捉作用。而入口速度為V=7 m/s 時，模型一和模型二切割頭對粒徑2.5 μm 以上的顆粒物幾乎全部捕捉，沒有區分效果。從其他曲線也可以得出結論，入口速度較大時對應的切割粒徑較小，入口速度較小時對應的切割粒徑較大。

通過對圖8 曲線對比發現，模型一切割頭捕捉率曲線較為平坦，如入口速度為4 m/s 時，切割頭對顆粒物捕捉率從20%升至100%的粒徑范圍是0.5 μm 至3.5 μm，相對應的模型二切割頭入口速度為4 m/s 時，捕捉率0%升至100%所對應的粒徑范圍是1.5 μm 至3.5 μm，曲線較模型一更為陡峭。因此，可以看出在模型二切割頭捕捉率比模型一更陡峭，對顆粒物的切割效果更好。

圖8 切割頭捕捉率曲線

3 結論

1）由入口速度為V=7 m/s 時捕捉面附近速度曲線圖分析，模型二切割頭比模型一切割頭在捕捉面附近速度曲線曲率更大，更符合慣性撞擊原理，對于顆粒物從流線分離的效果更強。模型二切割頭對于粒徑為1.5 μm 和2 μm 的顆粒物捕捉效果有較大的區別，可以有效通過粒徑對顆粒物進行選擇性捕捉。