旋流离心喷嘴结构参数对雾化特性影响现状分析∗

刘梦红,刘何清,2,吴 扬

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院, 湖南湘潭市 411201; 2.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室, 湖南湘潭市 411201)

旋流离心喷嘴结构参数对雾化特性影响现状分析∗

刘梦红1,刘何清1,2,吴 扬1

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院, 湖南湘潭市 411201; 2.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室, 湖南湘潭市 411201)

影响旋流离心喷嘴雾化特性的因素很多,其中旋流离心喷嘴结构参数对喷嘴雾化特性影响复杂、多样,得到很多学者关注,并开展了大量的研究。归纳与分析整理了以往学者的研究成果,对旋流离心喷嘴雾化锥角、液滴速度、液滴直径的影响因素及研究现状进行了较全面的评述,并总结得出了有待进一步研究的问题,为今后的研究方向提供了参考。

喷雾除尘;离心喷嘴;雾化特性;结构参数

0 引 言

矿井尘害是矿山主要灾害之一,严重威胁井下工作人员的身体健康。目前粉尘防治技术[1-3]有煤层预注水、喷雾降尘、通风除尘和个体防护措施等,其中喷雾降尘技术是矿井除尘最普遍、最有效的方式之一。而喷雾降尘效果的关键是喷嘴雾化特性,喷嘴的结构参数是影响雾化特性的关键之一,因此研究喷嘴结构参数对喷雾雾化特性的影响有着重要意义。

旋流离心喷嘴结构参数[4-6]主要包括:喷嘴孔径、旋流室直径、旋流入口角度、喷嘴长度和出口长径比等。喷雾雾化特性参数[7-9]包括宏观参数与微观参数两个方面,宏观参数有:雾化锥角、射流贯穿长度、液膜破碎长度和液滴在喷雾场中的分布;微观参数有:液滴尺寸、液滴在流场中的位置、速度与粒径的分布。

正是由于喷嘴结构参数对其雾化特性及降尘效率有重要的影响,因此,国内外学者开展了大量的理论与实验研究,取得了一系列研究成果[10-11]。基于此,笔者根据自己掌握的相关知识与认识,对旋流离心喷嘴结构参数对其雾化特性影响现状进行粗浅的分析,试图提出今后的研究趋向。

1 旋流离心喷嘴结构参数对雾化锥角的影响

雾化锥角即为喷雾射流中张开的角度,它是描述液体射流雾化特性和雾化质量的重要参数之一,关系到实际工程中喷嘴布置的间距与密度[12-14]。喷嘴结构参数对旋流离心喷嘴雾化锥角的影响较复杂,且国内外学者对其进行了大量的实验与数值模拟研究,下文笔者主要归纳与分析众学者关于喷嘴孔径、旋流室直径和入口角度对雾化锥角的影响。

1.1 喷嘴孔径对雾化锥角的影响

1982年,日本学者广安博之[15]推导出了雾化锥角与喷孔直径的经验公式,并发现:较大的离心喷嘴孔径,喷口面积较大,出口阻力小,雾化锥角小,但喷雾液膜较厚,射流破碎时间和液膜破碎长度较长;较小的离心喷嘴孔径,喷口面积较小,雾化锥角大,喷口处形成较薄的锥形液膜[16]。但此结论未通过实验验证,也未阐述喷雾锥形液膜与雾化效果好坏是否有关。

Mohammad[17]开展了旋流离心喷嘴结构参数对喷雾特性影响的实验研究,通过增加旋流离心喷嘴的孔径,发现旋流室入口的切向速度增加,喷嘴出口处的切向速度随之增加,雾化锥角增大。实验结果与广安博之学者推导的经验公式完全不相符,因此后续许多学者通过实验与数值模拟进行了求证分析。

周猛[18]等采用动量守恒原理,推导并建立了旋流离心喷嘴无粘理论计算模型,并得出了喷嘴孔径与雾化锥角的关系曲线,发现雾化锥角也随喷嘴孔径的增大而增大,并将实验数据与计算结果进行比较,基本吻合,但实验数据较理论计算数据总体偏小;该学者没有分析造成实验雾化锥角偏小的原因。Akira[19-20]等认为随旋流离心喷嘴孔径的增加,液体流动阻力小,喷孔内湍流强度增加,喷孔外的环境介质会被倒吸进喷孔,压迫喷孔内的空泡区,使喷孔壁上出现一层薄壁气体,导致喷雾液体与喷孔壁面分离,出现喷雾锥角减小的现象。尹俊连[21]等通过VOF软件模拟旋流离心喷嘴内部的气液两相流动,喷孔孔径越小,液体开始破碎时间越早,更易促进液体表面的初始扰动水平,形成液滴分离,并发现锥形液膜厚度是由空气芯的尺寸决定的,得出了预测锥形液膜厚度的公式,但未经实验验证。

王谦[22]等学者利用超高速摄影仪观察了4mm范围内的喷孔直径对雾化锥角的影响,并对启喷与稳定阶段的喷雾雾化锥角进行较全面分析,启喷这一瞬态过程主要受喷孔内流动产生的空穴以及湍流影响,而稳定阶段由气动力的作用,造成喷雾锥角随孔径增大而增大,小孔径喷嘴锥形液膜破碎时间短,有利于加快雾化时间。邱庆刚[4]基于VOF建立湍流模型,对锥形液膜厚度进行模拟分析,得出孔径越大,锥形液膜厚度稍大些,液膜破碎长度越长,但液膜厚度在喷雾过程中不稳定。

综上所述,喷嘴孔径对雾化锥角的影响有2种截然相反的结论。多数学者的研究结论是:雾化锥角与孔径大小成正比关系,较大孔径的雾化锥角大,但锥形液膜厚度厚,射流破碎时间长;较小孔径的雾化锥角小,锥形液膜厚度薄,射流破碎时间短。少数学者研究结论相反,随喷嘴孔径增大,雾化锥角减小。因此,关于喷嘴孔径对雾化锥角的影响还有待从机理到实验的进一步研究。

1.2 旋流室尺寸对雾化锥角的影响

高压液体经过旋流室进入喷嘴,在离心力的作用下高压液体在旋流室内做高速旋转运动,然后以较高的速度从喷嘴出口喷射而出,因此,旋流室的结构及参数直接影响雾化锥角的大小。国内外已有很多学者通过实验、数值模拟等方法开展了旋流室直径、入口倾斜角对雾化锥角的影响研究,并取得了一定的研究成果。

1.2.1 旋流室直径对雾化锥角的影响

Sakman[23]通过拉格朗日－欧拉法研究了喷嘴旋流室直径等旋流离心喷嘴结构参数对雾化特性的影响,并得到雾化锥角与旋流室直径的关系曲线,发现雾化锥角随旋流室直径的增大有所增大,但不明显。

赵子行[24]对3个旋流室直径不同的喷嘴进行了雾化锥角的实验研究,在相同喷雾压力下,增大旋流室直径,喷嘴初始旋流度增加,射流径向速度越大,喷雾锥角张开度有所增大,但不明显。董星涛[8]等对2.5～4mm的旋流室直径的雾化锥角进行测定,发现旋流室直径为3mm时,雾化锥角达到最大值,继续增大旋流室直径,雾化锥角不再变化。王晓琦[25]的实验研究也发现旋流室直径的变化对雾化锥角大小影响不明显。

综上所述,理论与实验研究均表明,旋流室直径对喷雾雾化锥角的影响不大。

1.2.2 旋流室入口倾斜角对雾化锥角的影响

XUE[26]等利用数值方法研究了90°到180°的旋流离心喷嘴锥形室入口倾斜角对雾化锥角的影响,发现其对雾化锥角的影响较小,但会改变液体薄膜的厚度。可由于无法具体测量液膜厚度,也未得出旋流室入口角度与液膜厚度的函数关系。

张永良[6]设计了进液倾斜角为30°的可视化透明离心喷嘴,与切向进液进行实验对比研究,并采用高速摄像仪拍摄喷嘴雾化锥角的变化趋势。实验表明:30°进液较切向进液相比,轴向方向速度增加,雾化锥角可达到75°,喷嘴出口液膜厚度小。但该学者未对其他倾斜角的进液方式进行对比实验,因此未找到最佳的进液倾斜角。闫云飞[27]实验得出,旋流室入口角度为90°、旋流室与喷孔直径比D/d为4.4～6.4时,喷嘴的雾化锥角为70°左右,雾化效果良好。但未计算D/d的值为多少时,雾化锥角达到最大值,没有对不同入口角度的雾化锥角进行对比分析,没有得出入口角度与雾化锥角的函数关系。潘振华[5]等对旋流室入口倾斜角为20°～40°间的进液方式,进行了9组工况的实验研究,发现切向槽位置设在旋流室圆锥半径1/2或3/4处,倾斜角取最小值20°时,雾化锥角最大,雾化质量较好,但由于实验样本较少,实验结论的准确性还有待进一步考证。

综上所述,通过数值模拟研究与实验研究,旋流室入口倾斜角对雾化锥角的影响得出的结论存在偏差,实验研究得出旋流室入口倾斜角对雾化锥角有显著的影响,且存在最优角度。但由于实验样本量较小及实验条件的限制,加上实验研究与理论分析的不一致性,已经取得的结论还有待进一步理论分析和实验室验证,有待理论与实验的新发现。

2 旋流离心喷嘴结构参数对液滴速度的影响

喷雾降尘装置的喷嘴出口液滴扩散速度,直接影响液滴捕捉粉尘的效率,液滴速度过高或过低均会影响液滴捕捉粉尘的效率。因此,许多学者试图通过机理分析和实验研究,以求获得最佳捕尘液滴速度。

2.1 喷嘴孔径对液滴速度的影响

董星涛,刘焜[8,28]等分别采用Fluent软件和多普勒相位仪(PDPA)分析了雾化外场的雾化特性,测量了雾化外场中液滴轴向速度,液体压力一定时,增大喷嘴孔径液滴的轴向速度变大,但不明显。尹俊连[21]等采用VOF多相模型对旋流喷嘴内部的气液两相流动进行了数值模拟,并通过激光测速仪与高速摄影测量了喷嘴孔径对径向液滴速度的影响,结果显示:喷雾液滴径向液滴速度随喷嘴孔径增大而增大,实验值与计算值基本相符,并阐明喷嘴内空气芯的作用会导致液滴实验速度较模拟速度偏小。

聂涛[29]在喷雾压力为5MPa下,分别对1.0 mm、1.2mm、1.5mm的喷嘴孔径与喷雾内流场液滴速度的影响规律进行数值模拟分析,研究发现:内流场液滴速度随孔径的增大而减小。其中,孔径为1.0mm的旋流喷嘴液滴切向速度最大,且切向速度变化速率大,雾化效果最好。周佳[30]利用Fluent软件对喷雾内流场进行了模拟分析,结果表明:孔径为1.0mm时,旋流半径对喷嘴出口速度影响最显著,对不同方向的影响程度排序为:切向速度＞径向速度＞轴向速度。

综上所述,喷孔直径对液滴速度有影响。在喷雾外场,随喷嘴孔径增大,喷孔内阻力减小,喷雾液滴速度增大;在喷雾内流场,喷雾速度随喷嘴孔径的增大而减小,减小原因有待分析与论证。另外,孔径对不同方向速度影响程度不同:切向速度＞径向速度＞轴向速度。由于不同喷嘴的参数不同,无法笼统说喷孔直径对应的最佳速度,只能根据实验中的具体情况测定。

2.2 旋流室直径对液滴速度的影响

Santolaya[31]等应用PDPA研究了旋流喷嘴出口雾滴的速度,旋流室直径增大,旋流室旋流强度增加,液滴出口速度随之增加。Hosoya[32]等在稳态的条件下,使用PDPA对燃油喷雾特性进行了实验研究,测定了喷雾液滴速度与旋流室直径的影响规律,发现喷雾液滴速度与旋流室直径大小呈近线性关系。

张乐超[33]等概述了国内外喷孔几何特征尺寸对柴油喷雾性能影响的研究现状,并且阐述了旋流尺寸等特征尺寸对柴油喷雾特性的影响,在其他参数不变条件下,增大喷嘴旋流半径,旋流强度增大,液滴的出口速度增大。闫超[34]研究得出,旋流直径增加,旋流室内切向速度迅速增加,喷雾液滴的速度也随之增加,绘出了旋流尺寸与液滴速度的曲线,得出旋流尺寸大小与液滴速度呈近似线性关系。

综上所述,旋流室直径对喷嘴液滴速度有影响,且近似为线性关系,液滴速度的增大随旋流室直径的增大而增大。但是未对旋流室直径雾滴的切向速度、径向速度与轴向速度进行深入的分析。

3 旋流离心喷嘴结构参数对液滴直径的影响

喷雾液滴粒径与液滴尺寸分布是衡量喷雾雾化特性好坏的重要指标,而旋流离心喷嘴结构参数对喷雾液滴粒径有影响。因此研究旋流离心喷嘴结构参数与液滴直径的规律对喷雾雾化特性有一定的意义。

3.1 喷嘴孔径对液滴直径的影响

Elkotb等[35]通过喷雾实验,得到了不同喷嘴孔径下喷雾液滴尺寸的分布曲线,结果表明:随着喷孔直径的减小,索泰尔平均直径(SMD)减小。Simmons和Harding[36]采用激光粒度分析仪构建了旋流离心喷嘴喷雾实验系统,得到了不同孔径下的雾滴直径,并得到了他们的关系曲线,雾粒SMD随喷嘴孔径的减小而减小,在雾场轴向方向先增大后减小,最后趋于稳定,呈近“正态分布”。

史绍熙[37]等人采用激光全息法对旋流喷嘴射流喷雾雾化进行了初步的探索,测量了旋流离心喷嘴雾化的液滴尺寸。聂涛[29]研究得出雾滴粒径不仅随喷雾压力的增大而减小,也随孔径的减小而减小,同时,由于雾滴离开喷嘴时SMD较小,且雾场中雾粒较多不利于雾滴继续破碎,粒径在雾场轴向方向先增大后减小,最后趋于稳定。马素平[9]在喷雾压力为3～10MPa间,研究了孔径为1.2～2.0 mm的喷嘴的液滴直径,发现小孔径的液滴直径较小,小于1mm的孔径,液滴直径过小容易蒸发,且易发生水质问题导致喷嘴堵塞现象;大于2mm的孔径,不仅耗水量大,相同压力下雾滴粒径过大,不利于除尘;实际工程中喷孔孔径应在1～2mm间选择。

综上所述,液滴直径随喷孔直径的减小而减小,过大的喷孔直径液滴直径过大,难以捕捉粉尘;过小的喷孔直径液滴直径过小,喷雾液滴在捕捉粉尘时易被蒸发。所以在喷雾除尘时,为产生捕捉粉尘的最佳液滴直径,应选择恰当的喷孔直径。

3.2 旋流室直径对液滴直径的影响

Yeung[38]通过喷雾实验研究,发现雾粒SMD基本不随旋流室直径的改变而改变,但未具体说明结果原因。LongWuqiang[39]等应用PDPA分析了喷嘴非稳态喷雾雾化特性,对预燃柴油机内的旋流室直径和粒子的直径分布进行了研究,结果发现:旋流室半径的增加,旋流强度增大,液滴与大气相对运动速度加快,一定程度上加快了液滴的破碎,使液滴直径变小,但不明显。

4 存在的问题与展望

归纳上述分析可知,虽然国内外学者开展了大量的研究,并取得了大量的研究成果,但由于不同喷嘴结构的雾化机理、实验条件的限制,造成数值模拟、实验室研究取得的结论都存在一定的局限性,还需进一步研究与完善。根据上文分析,目前研究中存在的不足与待解决的问题主要有:

(1)喷嘴孔径对雾化锥角的影响有两种截然相反的结论,多数学者研究结论是雾化锥角与孔径大小成正比关系,少数学者研究结论是随喷嘴孔径增大雾化锥角减小。因此,关于喷嘴孔径对雾化锥角的影响还有待从机理到实验的进一步研究。

(2)喷嘴孔径、旋流室尺寸等喷嘴结构参数对雾化锥形液膜厚度的影响尚无深入的研究,由于实验仪器的限制,学者无法精确的通过实验测量液膜厚度,也未能得出喷嘴结构参数与锥形液膜厚度的关系式。

(3)喷孔孔径对液滴速度有影响。在喷雾外场,随喷嘴孔径增大,喷孔内阻力减小,喷雾液滴速度增大;在喷雾内流场,喷雾速度随喷嘴孔径的增大而减小,减小原因有待进一步分析研究。

(4)液滴直径随喷孔直径的减小而减小,过大的喷孔直径液滴直径过大,难以捕捉粉尘;过小的喷孔直径液滴直径过小,喷雾液滴在捕捉粉尘时易被蒸发。因此,是否可以获得既有利于捕尘、有不易蒸发的最佳液滴直径及产生最佳液滴直径的喷嘴结构参数组合尚有待研究。

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2017-05-15)

刘梦红(1993－),女,湖南新化人,硕士研究生,主要研究矿井通风与粉尘防治,Email:782996767＠qq.com。

国家自然科学基金资助项目(51474105).