噴嘴參數對風送式噴霧機霧滴射程的影響

龔曙光, 宋青卓, 劉黎明, 龔京忠, 賀運初

(1.湘潭大學 機械工程學院,湖南 湘潭 411105； 2.湖南九九智能環保股份有限公司，湖南 長沙 410205)

風送式噴霧機通過風機產生的高速氣流將大量霧滴拋射到作業區域完成作業，具有效率高、成本低、移動性強、覆蓋范圍廣等優點，已被廣泛應用于工業除塵、空氣治理和農業噴灑等領域[1-2]，同時風送式噴霧除塵技術也已成為露天礦山、火電廠和建筑工地等場所治理揚塵的重要措施之一[3-5]。

諸多學者及科研人員針對風送式噴霧機開展了相關研究，歐亞明等[6]利用農機試驗對風送式噴霧機的霧滴射程進行了分析，研究結果表明軸流風機的性能對風送式噴霧機的霧滴射程影響較大，并指出霧滴被氣流攜帶的最低風速為2 m/s，可作為噴霧機射程的判斷指標；陳波等[7]基于多目標智能協同優化方法，探究了噴霧機關鍵結構參數對風機射程的影響規律，并得出最佳結構參數；張小濤[3]采用試驗和數值模擬方法，研究了風量、噴霧壓力與噴嘴角對霧滴擴散與沉降的分布規律的影響；宋淑然等[8-11]基于數值模擬方法和試驗探究了噴霧機的噴霧特性、霧滴粒徑變化規律，以及不同液體張力對噴霧機流場中霧滴的粒徑、分布密度、速度和沉積分布情況的影響；李杰等[12]利用CFD法研究了噴霧機霧滴運動軌跡和沉降特性，所得結果與試驗測試相吻合；劉秀娟等[13]采用Fluent軟件分析了風機與射程范圍內的氣流信息及其軸向速度的衰減規律；EMMA等[14]建立了霧滴大小和霧滴速度的CFD模型，并對噴霧的分布規律和噴霧效果進行了評價；呂曉蘭等[15]探討了噴霧技術參數對霧滴沉積分布的影響；惠雙琳[16]利用Fluent軟件探討了噴霧壓力對降塵噴霧性的影響，指出噴霧壓力越大、噴霧效果越好，霧滴的抗風能力越強。

已有文獻對噴霧機射程的研究主要側重于如何提升噴霧機的出口氣流速度或重點針對霧滴的運動過程，而對霧滴的有效作用范圍及噴嘴參數等對霧滴射程的影響還需進一步研究。因此，筆者基于霧滴運動、蒸發、碰撞和破碎方程，采用數值模擬和正交試驗法，探討噴嘴的結構與工藝參數對霧滴射程的影響，以期為風送式噴霧機的設計及工業應用提供參考。

1 控制方程及仿真模型

1.1 控制方程

1)湍流模型

連續相采用 Realizablek-ε湍流模型，該模型更適用于圓形射流[17]，其動能方程如下：

(1)

擴散方程為：

(2)

選取常數C1ε= 1.44，C2= 1.9，σk= 1.0，σε= 1.2。

2)霧滴運動方程

霧滴的運動軌跡可通過對拉格朗日坐標系下霧滴作用力的微分方程進行積分得出，霧滴作用力的平衡方程為：

(3)

式中：m為質量；τ為霧滴的弛豫時間；Fvm為霧滴所受的虛擬質量力；下標f為流體參數，未注下標的為霧滴參數。

3)霧滴碰撞方程

在霧滴的碰撞方程中，假定霧滴組之間的碰撞只存在于同一個流體網格內，此時可利用O′Rourke的隨機方法來估計顆粒之間的碰撞頻率，該計算方法在空間上具有二階精度[18]。

2個霧滴組之間發生碰撞概率的數學期望為：

(4)

式中：r為霧滴組半徑；vrel為2個霧滴組之間的相對速度；v為霧滴的總速度。

霧滴組實際碰撞次數的概率滿足泊松分布，即:

(5)

如果霧滴之間為正面碰撞，則其結果傾向于霧滴合并;若為側面碰撞，則其傾向于反彈。即霧滴之間碰撞會出現合并和反彈，判斷其臨界值為：

(6)

其中：

式中We為霧滴的韋伯數。

4)霧滴破碎模型

霧滴的破碎模型主要有TAB模型和WAVE模型，而后者的參數與工況環境相關[19]。為避免使用破碎模型帶有的不確定性，本文采用TAB模型。

霧滴系統受迫有阻尼振動的控制方程為：

(7)

式中：F為霧滴的空氣動力；d為阻尼力類比霧滴黏性力。

對于無阻尼霧滴，在其相對速度為0時，則有：

(8)

式中：ω為霧滴的振動頻率；td為給定時間。

若y>1，則表示霧滴變形已增長到霧滴半徑的臨界值。霧滴破碎后，其尺寸分布的索太爾中徑為：

(9)

式中：K為變形能量與一階模態能量之比；σ為霧滴表面張力系數。

1.2 仿真模型

風送式噴霧機主要由風機、風筒、導葉、水泵、管路和噴嘴等組成，其中噴嘴在出口處均勻環繞，其分布如圖1所示。

圖1 噴嘴分布示意圖

選取的噴霧機噴嘴直徑為850 mm，噴嘴數量為80個，各噴嘴軸心與風筒軸心的夾角為30°；選定噴嘴類型為壓力旋流型噴嘴，其孔徑為0.75 mm；水泵壓力為2.5 MPa，噴霧半錐角為36°。

根據風送式噴霧機風筒出口尺寸及額定射程距離，建立六面體流域，流域的結構尺寸參數如圖2所示。

圖2 風送式噴霧機流域示意圖

風筒出口中心距離地面高度為1.5 m，風筒出口軸線與水平地面的夾角為20°。

由于流域較為規整，采用六面體結構網格對其進行網格劃分，并對入口區域采用O型切割并進行加密處理。

1.3 邊界條件及計算

邊界條件：將噴霧機風筒出口設為速度邊界，其值為36 m/s，溫度293 K，相對濕度50%；地面采用無滑移壁面邊界，近壁區為標準壁面函數，DPM邊界采用TRAP；其他邊界為壓力邊界，其值為標準大氣壓，DPM邊界為Escape。

采用壓力旋流霧化噴嘴注入霧滴，流量設為0.2 kg/s，并在仿真計算中開啟TAB霧滴破碎模型。同時考慮重力的影響，重力加速度為9.8 m/s2。

計算狀態設置為瞬態，取時間步長為0.01 s，每個時間步長最大迭代次數設為40次，計算時長設置為20 s。數值計算采用壓力—速度耦合求解算法，壓力方程采用二階迎風格式求解，壓力—速度耦合采用SIMPLEC算法。

1.4 網格無關性及驗證

通過對所建網格進行細化，并取x=80 m的平均速度作為網格無關性驗證的指標，所得到的計算結果見表1。

表1 網格無關性驗證

由表1可知，當流域的網格數從212.5萬增加到430.1萬個時，平均風速逐步趨于穩定。為了減少計算量，最終選取流域的網格數359.2萬個。

為了驗證噴嘴霧化模型的可行性，在相同工況下，對噴嘴模型進行仿真分析，計算得到的霧滴粒徑分布曲線與試驗測試結果的對比如圖3所示。

圖3 噴嘴霧化的結果對比

由圖3可知，噴嘴霧化模型所得到的霧滴粒徑分布與試驗測試值具有相同的變化規律，二者的數值也較為接近，說明所建立的噴嘴霧化模型是可行的。

2 結果分析與討論

通過對所建的仿真模型進行計算，得到有霧滴與無霧滴時氣體流場的速度云圖，如圖4所示。

(a)無霧滴

從圖4(a)可以看出，無霧滴時，氣體流場的速度分布呈現錐形對稱分布，且隨著出口軸線距離的延長，氣體的流速逐漸減小，這與氣體自由噴射模型的流場特征相吻合。

從圖4(b)可以看出，當氣體中含有霧滴時，由于霧滴顆粒耦合誘導作用，使氣體流場末端速度分布形態比無霧滴時要大，且向地面彎曲，這主要是因為隨著氣體流速的減小，霧滴在其重力作用下發生沉降，以及微小霧滴在氣流作用下發生擴散漂移所引起，且霧滴沉降是主要的誘因。

霧滴顆粒粒徑及其軌跡的分布如圖5所示。

圖5 霧滴顆粒粒徑及其軌跡的分布

由圖5可知，霧滴的分布形態呈現拋物狀，在其前3/5的距離，由于受到高速氣流的裹挾作用，霧滴分布相對集中即處于噴射階段；隨著氣流速度的減小，粒徑大的霧滴首先開始沉降，當氣流速度減小到不足以支撐霧滴時，霧滴在慣性下呈現拋物沉降運動并靠近地面，此段位于3/5～4/5處；當霧滴靠近地面后，由于其沉降阻力增大，霧滴會沿著地面漂移。即霧滴經歷噴射、沉降和漂移的距離之比接近3∶1∶1。

在霧滴沉降到地面后，每平方厘米內霧滴的個數即霧滴密度與距離之間的關系如圖6所示。

圖6 霧滴密度隨距離的分布規律

從圖6可以看出，落到地面上的霧滴密度隨距離的增加呈現先增大后減小的趨勢，其有效作用范圍為60～78 m，即為最大射程的77%～100%。按照國家機械行業標準[20]，將地面處每平方厘米內霧滴顆粒數達到10個的最大水平距離作為噴霧機的射程，分析圖6得到所建模型的最大噴霧射程為78 m，霧滴密度的最大值出現在69 m處。

3 正交試驗分析

根據風送式噴霧機的結構特點和工藝參數，取噴嘴的分布直徑、噴嘴數量、噴嘴角度、工作壓力及噴嘴孔徑作為影響因素，其正交試驗因素值如表2所示。

表2 因素水平

正交試驗采用標準的L16(45)正交試驗表，正交試驗結果和極差分析如表3所示。

表3 正交試驗結果和極差分析

由表3可知，獲得霧滴最大射程的因素組合為D4A4E2C2B2，影響霧滴射程因素的主次關系為：工作壓力、分布直徑、噴嘴孔徑、噴嘴角度、噴嘴數量。分析表明要增大噴霧機的射程，可適當增大噴嘴的工作壓力和分布直徑，減少噴嘴數量。

采用最佳組合方案后，沉降到地面上每平方厘米內的霧滴數量分布如圖7所示。

圖7 最佳方案地面霧滴密度情況

從圖7可以看出，噴霧機的有效作用范圍為55.0～85.8 m，霧滴的最大射程為85.8 m。同時對比圖6可知，有效作用范圍增大了167%，最大射程提升了6.4%，落入地面的霧滴密度分布更加集中，這更有利于揚塵的治理。

4 結論

1) 噴霧機的霧滴運動經歷了噴射、沉降和漂移3個階段，且其距離之比接近3∶1∶1。噴射階段決定了霧滴射程的大小，霧滴的有效作用范圍為最大射程的77%～100%。

2) 影響霧滴射程因素的主次關系為：工作壓力、分布直徑、噴嘴孔徑、噴嘴角度、噴嘴數量。

3) 采用最佳組合方案后，不僅增大了噴霧機有效工作范圍，提升了最大射程，而且落入地面的霧滴密度分布更加集中，從而更有利于揚塵治理。