细水雾在瓦斯输送管道中的沉降规律

王发辉，余明高，裴　蓓

(1．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作　454003;2．河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室－省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作　454003)



细水雾在瓦斯输送管道中的沉降规律

王发辉1，2，余明高1，2，裴蓓1，2

(1．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454003;2．河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室－省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作454003)

摘要:为研究不同喷雾压力、不同气流速下水雾在管道内的沉降特性，搭建了管道喷雾实验台，采用粒子图像速度仪(PIV)对方形管道内的水雾运动特性进行了测量，分析了喷雾压力和气流速度对水雾沉降特性的影响规律。结果表明:当气流速度一定，喷雾压力从0．1 MPa增加到1．3 MPa时，水雾在喷嘴下游管长为1 m管道内的沉降量增加了96%，沉降的主要原因是碰壁沉降，而在1 m之后的管段内水雾沉降量减少了76%，沉降的主要原因是惯性沉降;当喷雾压力一定，气流速度从1．1 m/s增加到10．4 m/s时，水雾在管长为1 m管道内的沉降量降低了24%，在1 m之后的管道内沉降量减少了17%。

关键词:细水雾;瓦斯输送;沉降;PIV

王发辉，余明高，裴蓓．细水雾在瓦斯输送管道中的沉降规律［J］．煤炭学报，2016，41(6):1441－1446．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1204

Wang Fahui，Yu Minggao，Pei Bei．Settling law of water mist in gas pipeline［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1441－1446．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1204

目前，中国煤矿大多属于高瓦斯矿井，近年来，我国煤矿瓦斯抽采量逐年提高，但从瓦斯利用来看，无论地面抽采、还是井下抽采，利用率仍低于46%［1－2］，其主要原因是:在我国现有煤矿瓦斯抽采中，浓度低于30%的瓦斯占70%以上，其中相当一部分瓦斯浓度低于16%［3］，《煤矿安全规程》第148条规定:抽采的瓦斯浓度低于30%时，不得作为燃气直接燃烧。这样就造成大量瓦斯气体排放到大气中，不仅污染环境，同时大量清洁能源被浪费［4］。然而，当其用于内燃机发电或作其它用途时，瓦斯的利用、输送必须按有关标准的规定制定安全技术措施。因此，研究低浓度瓦斯输送的安全保障技术，对促进瓦斯抽采利用产业的发展、提升中国节能减排的技术水平和减少煤矿瓦斯灾害等方面都具有重要的意义。

已有研究表明，在瓦斯输送管道内加入细水雾的输送方式对瓦斯抑爆效果显著［5－7］，余明高等［8］研究指出必须使低浓度瓦斯管道内的水雾满足一定量的要求时，才能有效抑制管道瓦斯爆炸;细水雾的沉降特性决定了管道内水雾的含量，同时，细水雾在瓦斯管道内的运动特性与其沉降规律密切相关。国内外学者对气液两相中液滴的运动规律进行了研究，Wang等［9］研究了喷嘴和上升气流逆向布置时的气液两相作用，计算了对流条件下液滴的运动距离，并且测量了两相掺混场的中瞬态液滴速度场，获得了液滴尺寸分布的时一空变化规律、液滴速度与尺寸的关联式等;张海滨等［10－13］研究了横气流喷雾管道中液相与气相的掺混规律，指出气液两相的掺混过程主要受不同尺度的旋涡结构影响，掺混效果受入射角度、喷雾压力和气流速度的影响;Phillips等［14］实验测量了横气流中漂流的水雾体积的变化规律，发现流场中喷嘴下游测量得到的喷雾体积是随气流速度的增大呈线性关系，液滴的沉积由流场结构控制。以上这些研究成果充分说明了在气液两相流场中，水雾液滴的运动特性和其在管道内的水雾量受气流速度等参数的影响，这对于研究细水雾在瓦斯管道内沉降规律有重要的指导意义，然而以上这些研究中大多只关注水雾的运动以及液相和气相之间掺混规律的研究，并没有涉及喷雾液滴在气相场中的沉降特性。对于细水雾抑制管道低浓度瓦斯爆炸来说，水雾的沉降特性将直接影响管内水雾的有效雾通量，从而影响瓦斯输运的安全性，也是设计细水雾瓦斯输送系统的关键，因此本文拟对细水雾在瓦斯输送管道中沉降特性进行研究，分析喷雾压力和气流速度等参数对水雾在管道内沉降特性的影响规律，为添加细水雾的低浓度瓦斯管道输送系统的设计提供一定的理论基础和的设计依据。

1　实验系统及方法

1.1实验装置

实验系统如图1所示，整个实验装置包括:供气系统、供水系统、PIV测量系统、水雾沉降测量系统及辅助设备(风机、水泵、水箱、调节阀等)等。

图1　喷雾沉降特性实验系统Fig.1　Experimental system of spray deposition characteristics

供气系统主要包括风机和气路系统两部分，风机的最大流量为80 m3/min，最大出口压力为5 000 Pa。风机出口气流分别流进主气路和旁气路，主气流进入实验段与喷雾混合，其流量由安装在旁气路上的阀门进行调节。

供水系统主要由水泵、喷嘴以及针阀等组成。实验用的水泵采用小流量高压水泵(最大压力为1.6 MPa)，喷嘴前端安装针阀、压力传感器和涡街流量计，用于精确控制水的流量与雾化所需压力。

实验段由 3段长 1 000 mm，横截面尺寸250 mm×250 mm的有机玻璃制成。为了稳定进入实验段的气流，在测量段的入口安装滤网和蜂窝状细管束，使进入实验段气流中的小漩涡因受到阻尼作用而消失;为了使沉降在管内的水能顺利流出，将实验管段倾斜放置，坡度为2%。

为实现两相流场的横截面与纵截面的测量，实验中设计了2套PIV拍摄方法(图2)。用激光照亮被测截面(图中阴影部分)，用CCD相机拍摄被照亮的截面后获得液滴的速度场。

图2　PIV测量截面示意Fig.2　Schematic drawing of the PIV measurement sections

细水雾沉降测试系统主要包括水雾采样管、除雾器和电子天平。采样管将管道出口的水雾引入除雾器中，除雾器将水雾中的液相分离出来，用电子天平来测量除雾器中水(气流携带水雾的质量)的质量。

1.2实验方法

细水雾在测量段的运动规律实验:实验过程中用空气代替瓦斯气体，实验时风机首先工作，气流在流经稳流段后形成稳定的气流，气流速度由便携式智能风速仪测得;然后开启水泵和针阀，喷嘴形成稳定的喷雾，气流两相流场在实验段内混合。最后开启PIV系统的激光，照亮要拍摄的截面，用CCD相机拍摄被照亮的截面，实现纵、横截面上水雾液滴流场的拍摄，最终得到液滴的速度场，从而获得不同截面上的液滴的速度分布。为了减小流场拍摄的随机性，对每个截面测量得到的图片进行后处理，每个截面拍摄50张，采用MATLAB图像处理软件获得时均图像。

细水雾沉降特性的实验:首先将实验管段倾斜放置，倾斜的坡度为2%，然后将接水槽放置于除雾器出水口下方，启动风机和水泵，开启气路和水路阀门，记录时间为1 h，关闭风机和水泵。

管内水雾沉降量的计算:①根据喷嘴流量qv与喷雾时间t计算喷嘴喷入管道内的水雾质量m1;②将除雾器下方水槽(气流携带的水雾)用电子天平称重，记录水的质量m2，同样的方法重复3次，计算结果取平均值;③ 管道内水雾的沉降量mc由式(1) 和(2)计算:

用同样的测试方法测量L=1～2 m和L=2～3 m时管段内水雾的沉降量。

2　实验结果及分析

在管道直径一定的情况下，影响管道内细水雾沉降量的主要因素有:喷雾压力(p)、气流速度(ug)。

2.1喷雾压力的影响

实验过程中喷嘴选用的是日本雾的池内公司生产的KB系列雾化喷嘴，根据厂家提供的技术参数，该喷嘴在较小的喷雾压力下可以达到较好的雾化效果，雾化液滴粒径分布均匀。喷嘴喷雾流量和雾滴粒径随喷雾压力的变化见表1。由表1可以看出，对于该喷嘴，喷雾压力对雾滴平均直径的影响很小，因此，在本文研究过程中忽略雾滴直径对细水雾沉降特性的影响。

当气流速度为4.2 m/s时，喷雾时间1 h各管段中细水雾的沉降量随喷嘴喷雾压力的变化规律如图3所示。

表1　喷嘴性能参数Table 1　Nozzle performance parameters

图3　不同压力时各管段内水雾的沉降量Fig.3　Settlements of water mist in each section of the pipe for different pressure

从图3可以看出，当管道中气流速为4.2 m/s，且保持不变时，水雾在一定距离管道内的沉降量随着喷雾压力的变化而变化，当喷雾压力从0.1 MPa增加到1.3 MPa时，水雾在L=1 m管段内的沉降量由13.2 kg/h增加到25.9 kg/h，增加了96%，在L=1～2 m和L=2～3 m的管道内水雾的沉降量分别减少了76%和68%，3个管段的总沉降量由21.6 kg/h增加到27.9 kg/h，增加了29%。数据表明:喷雾压力的增大使得喷嘴下游1 m的初始管段内水雾沉降量大幅度增加，而在后面管段内水雾沉降量反而减少了，减少的幅度比初始管段增加的幅度要小，这说明喷雾压力的增大对水雾沉降量的影响主要是在喷嘴下游的初始管段。但从管道总的沉降量来看，较大的喷雾压力将产生较大的沉降量。

液滴从气相中沉降的原因主要是雾滴碰壁和惯性沉降两种。单从碰壁沉降来说，根据Stanton提出的液滴碰壁模型，将液滴碰壁后分为沉积和飞溅两种类型。碰壁沉积指的是水雾液滴在和壁面发生碰撞后在壁面形成液膜并沿壁面流向管道底部，液滴脱离气相场(沉降)，而飞溅是指液滴碰壁后发生反弹重新返回气相场中。判断液滴沉积和飞溅的条件是韦伯数［15］。

其中，ρp，vn，dp和σ分别为液滴的密度、沿壁面的法向速度、直径和表面张力。Stanton模型指出，当We≤5时，液滴碰壁沉积，当We＞5时，液滴碰壁反弹。从式(3)可以看出:当ρp，dp和σ不变时，液滴碰壁时的We随其法向速度vn的增大而增大，由图4可以看出液滴的在最大喷雾压力1.3 MPa时，到达壁面的法向速度vn(即图2中y向速度)为2.9 m/s，由式(3)可以计算出液滴碰壁时的最大We:

图4　不同喷雾压力时x=50 mm处y方向的速度分布Fig.4　Velocity profile of y for different pressure with x=50 mm

本文实验工况下液滴最大碰壁的We＜5，可以认为，喷雾颗粒只要有机会碰壁，都视为在壁面沉积。因此，在不同的实验工况下，可以认为雾滴碰壁的数量和机率越大，其发生碰壁沉降的量也就越大。实验中用PIV测试系统拍摄了不同喷雾压力时的雾化锥角(图5)和喷嘴下游50 mm截面处水雾液滴的法向速度曲线(图4)。

图5　不同喷雾压力下喷嘴的雾化锥角Fig.5　Cone angle of the spray nozzle for different pressure

由图4，5可以看出，较大的喷雾压力形成的雾化锥角越大，喷嘴下游同一截面处的水雾雾滴的y向速度越大。在同一截面处，当压力为1.3 MPa时，喷雾液滴y向速度达到7.1 m/s，而压力为0.1 MPa时，y向速度只有2.8 m/s，几乎相差2.5倍，这就造成了较大喷雾压力时雾滴碰壁的数量和机率变大，使雾滴的碰壁沉降量大幅度增加，尤其在喷嘴下游1 m内的管道内，颗粒碰壁沉降是颗粒沉降的主要原因，所以压力从0.1 MPa增大到1.3 MPa时颗粒的沉降量增大了96%。对于L=1～2 m，L=2～3 m管段来说，由于雾滴在横截面上的y向速度很小，颗粒碰壁的机率很小，其沉降的主要原因是惯性沉降，因此，喷雾压力的增大将会增大L=1～2 m，L=2～3 m管段内颗粒的运动速度，不利于颗粒沉降，这也是随着压力的增大，在L=1～2 m，L=2～3 m管段内沉降量不增加反而下降的主要原因。

2.2气流速度的影响

图6给出了喷雾压力p=0.7 MPa时，1 h内各管段中水雾的沉降量随气流速度的变化规律。

图6　不同气流速度时不同长度管段内水雾的沉降量Fig.6　Settlements of water mist in each section of the pipe for different air velocity

从图6可以看出，当雾化压力p=0.7 MPa且保持不变时，水雾在一定距离管道内的沉降量随着气流速度的变化而变化，当气流速度从1.1 m/s增加到10.4 m/s时，水雾在 L=1 m管段内的沉降量由23.2 kg/h减小到17.4 kg/h，减小了24%，在L=1～2 m和L=2～3 m的管段内水雾的沉降量分别减少了20%和17%;3个管段的总沉降量由31.2 kg/h减少到23.9 kg/h，减少了23.4%。数据表明:气流速度的增大使得各管段内水雾沉降量减少。

气流速度对管段1中沉降量的影响主要原因:一方面是气流速度的增大使得水雾雾滴在y向的速度减小，减少了颗粒碰壁的机率，使沉降量下降;另一方面在雾化锥体下游由于气相绕流锥体形成沿半径方向的压力梯度，从而使气流速度场沿轴线方向产生了速度梯度，在上部流动区域绕流形成的压力比下部区域要小，因此，上部流体的运动速度比下部要大，这样交界面处就会产生切向应力，切向应力诱导漩涡的产生，如图7所示;不同的气流速度时，管道内气体绕流雾化锥体形成的上、下区域交界面处产生的速度梯度不同，交界面处的剪切应力也不同。气流速度越高，绕流水雾锥体后引起的气相场的漩涡强度越高。根据气相速度场计算了流场在不同气流速度时的漩涡强度，如图8所示。从图中可以看出:当气流速度从1.1 m/s增大到10.4 m/s时雾化锥体下游200 mm横截面处的漩涡强度从12.1 L/s增加到352.3 L/s，漩涡强度的增大使得气相对液滴的剪切升力增大，较大的剪切升力有利于液滴颗粒在气相中悬浮，阻碍雾滴的沉降。

图7　不同气流速度时x=200 mm处横截面漩涡分布Fig.7　Vortex distribution of cross section for different air velocity with x=200 mm

水雾在2，3管段中沉降的主要原因是颗粒的惯性沉降，颗粒在气相中的惯性沉降主要取决于颗粒松弛时间和无量纲沉降速度［16－17］。

松弛时间:

无量纲沉降速度:

其中，τp，C，ρp和μ分别为颗粒松弛时间、库宁汉滑移修正系数、液滴密度和气体黏度。对于微米级颗粒τp只与颗粒直径有关，τp越大说明其跟随气流运动的能力越强，不容易在管内沉降;v+是雾滴颗粒的无量纲沉降速度，其值越大，颗粒越容易沉降，vd为雾滴颗粒的沉降速度，u*为管道摩擦速度，可用式(6)计算，从式(6)可以看出其大小取决于气相流速ug和范宁系数f。在管道水力直径和壁面粗糙度一定时f 与Re成正比，其表达式为式(7)［18］。

颗粒在2，3管段内的沉降主要是惯性沉降，根据上述理论，随着气流速度的增加，一方面气流对喷雾液滴产生二次破碎，造成液滴直径减小，使τp减小，水雾颗粒跟随气流运动的能力越强，从而造成管段内沉降量下降。同时，由于气流速度的增加，管道气相湍流强度增大，Re变大，范宁系数 f变大，由式(5)～(7)可以看出，这些因素都将导致颗粒无量纲沉降速度减小，使管道内水雾颗粒的沉降量减小。

3　结　　论

(1)当气流速度一定时，喷雾压力的增大使得喷嘴下游1 m的初始管段内水雾沉降量大幅度增加，而在L=1～2 m和L=2～3 m管段内水雾沉降量反而减少，但减少的幅度比初始管段要少。单从实验管道总的沉降量来看，较大的喷雾压力将产生较大的沉降量，但对长距离的瓦斯输送管道而言，并非喷雾压力越小越好。

(2)当喷雾压力一定时，气流速度的增加，使得气体对液滴的剪切升力变大，阻碍颗粒的沉降，同时，较大的气流速度会造成液滴的二次破碎，使液滴跟随气流运动的能力增强，颗粒无量纲沉降速度减小，沉降量下降。因此，为了减少水雾颗粒在管道内的沉降量，输送过程中尽可能提高气流速度。

(3)水雾在管内的沉降规律将直接影响瓦斯输送管道内水雾的有效雾通量，从而影响水雾的抑爆效果。因此，论文的研究结果可为研究管内水雾沉降对瓦斯抑爆规律奠定基础。

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中图分类号:X932;TD712

文献标志码:A

文章编号:0253－9993(2016)06－1441－06

收稿日期:2015－08－14修回日期:2015－11－25责任编辑:毕永华

基金项目:国家自然科学基金资助项目(U1361205，50974055);河南省动力工程及工程热物理重点学科资助项目

作者简介:王发辉(1978—)，男，河南平顶山人，副教授，博士研究生。Tel:0391－3987511，E－mail:fahui@hpu．edu．cn

Settling law of water mist in gas pipeline

WANG Fa-hui1，2，YU Ming-gao1，2，PEI Bei1，2
(1．School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454003，China;2．State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454003，China)

Abstract:This study assembles a pipeline mist spraying experiment rig and measures the motion characteristics of water mist in the square pipeline using Particle Image Velocimeter．It explores the settling law of water mist in the pipeline with various spraying pressure and airflow velocity and analyzes their influences．The results indicate that the settling volume increases by 96%in the 1 meter long downstream pipeline，when the spraying pressure increases from 0.1 MPa to 1.3 MPa at a set airflow velocity，which is mainly caused by impinging．And the settling volume reduces by 76%in the other parts of the pipeline，which is caused by inertance．But when airflow velocity increases from 1.1 m/s to 10.4 m/s with a set spraying pressure，the settling volume reduces by 24%in the 1 meter long pipeline and reduces by 17%in the other parts．The results will provide a reliable theoretical basis for gas explosion suppression and the parameter setting of water mist in the safe transportation of low concentration gas．

Key words:water mist;gas transportation;settlement;PIV