喷嘴螺旋倾角对雾化性能影响的试验研究

苗懂艳，高贵军

（1.太原理工大学 机械与运载工程学院，山西 太原030024；2.山西省矿山流体控制工程实验室，山西 太原030024）

近年来由于综采综掘技术的快速崛起，煤矿井下煤尘引起的环境污染以及社会危害相当严重。因此，众多学者不惜余力研究降低粉尘浓度的技术，发现喷雾是降低煤矿煤尘浓度的最有效，最具效益的措施之一[1-2]，这种方法是利用喷嘴喷射的微小液滴捕获空气中的煤尘。对此科研人员做了很多关于喷嘴的工作[3-6]。为此以压力螺旋喷嘴进行研究，对不同螺旋倾角的喷嘴在不同系统喷射压力下的雾滴射程、喷嘴雾化角、喷嘴流量、雾粒粒径分布、雾粒轴向运动速度等进行了整体的试验研究，以期为提高降尘设备的系统化、智能化、节能化的转型升级以及提高煤矿喷雾降尘效率的研究带来启发[7-9]。

1 试验装置及测量方法

1.1 试验喷嘴

喷嘴结构图如图1。喷嘴芯螺旋叶片与水平线之间所形成的夹角α 即为螺旋倾角。喷嘴由喷嘴体、喷嘴芯和压紧螺帽组成，此结构可防止喷嘴发生堵塞，且容易拆分清理，继续使用和便于维护，适应井下恶劣的工作环境，喷嘴设计成可分离型[10]，喷嘴芯在喷嘴腔内是间隙配合，喷嘴芯容易取出，在喷嘴发生堵塞时清理比较方便，从而增加喷嘴的使用寿命。

图1 喷嘴结构图Fig.1 Nozzle structure diagram

1.2 试验系统

通过试验以理解螺旋喷嘴的雾化特性。在太原理工大学矿山流体控制实验室建立了专用的喷雾特性分析测试系统。用液体水进行喷射试验，通过加压、调压设备将水箱中的自来水加压至预设压力，然后从螺旋喷嘴中喷出。在该研究中，OMEC DP-2粒度分析仪用于测量雾场的粒度。试验在1.2 mm的喷嘴孔和1～3 MPa 压力下进行, 采用HX-6 高速摄像机记录和研究喷雾角度。试验系统如图2。

图2 喷嘴雾化性能试验系统Fig.2 Nozzle atomization performance test system

1.3 测量方法

喷雾在有机玻璃箱内进行，以避免外部空间对试验的影响。液压表用于监控喷雾压力并将其保持在预设值，高速摄像机用于捕捉雾粒子的运动速度和雾化角度，流量计于测量螺旋喷嘴的喷射流量，同时，通过改变喷嘴的相对位置，通过DP-2 粒度分析仪在不同位置测量雾粒尺寸的分布。为了分析和记录，在喷雾区域建立了坐标系。横轴L 和纵轴H分别位于喷嘴的轴向和径向，单位为cm。激光器位置距喷嘴的轴向180 cm，距喷嘴径向40 cm。

利用DP-2 激光粒度分析仪的激光线测量粒度分布。但仍然难以精确测量液滴的速度、尺寸分布、聚集以及破碎事件。液滴的尺寸通常由D10、D50、D90、D[3,2]、D[4,3]表示。体积中值直径D50用作液滴的平均粒径，并且是指体积中总液滴的50%表现出比该特征直径小的直径[11]。这里采用索特（Sauter）平均直径D32（以SMD 表示）[12]。

2 结果讨论

2.1 不同喷射压力下射程与螺旋倾角之间的关系

不同喷射压力下射程与螺旋倾角之间的关系如图3。从图3 中可知，在同一喷射压力下，随着喷嘴螺旋倾角的增加，液体的喷射距离变小，当系统压力达到3 MPa 时，3 种螺旋喷嘴中30°螺旋喷嘴的喷射距离最远，达到4.7 m 左右。图3 还表明，液体压力在1～3 MPa 内随着喷射压力的升高，3 种螺旋喷嘴的喷射距离呈近似线性逐渐增加，上升趋势比较明显，即压力增加，液体的冲击动能增加，喷射距离变远。

图3 射程与螺旋倾角之间的关系Fig.3 Relationship between jet distance and spiral inclination

2.2 雾化角度与螺旋倾角之间的关系

雾化角度和螺旋倾角之间的关系如图4。图4表明，在同一系统喷射压力下，随着喷嘴螺旋倾角的增大，雾化角随之减小，在系统压力为2 MPa 情况下，50°螺旋喷嘴的雾化角为 71.3°，40°螺旋喷嘴的雾化角为75.3°，30°螺旋喷嘴的雾化角为77.3°。同时可以看出，对于3 种不同螺旋倾角的喷嘴，当喷雾压力从1 MPa 增加到2 MPa 时雾化角快速减小，当喷雾压力在2～3 MPa 内，雾化角缓慢减小。这是因为在系统压力较小时，喷射流中掺杂的空气对雾场影响较大，随着压力的变大，这种影响逐渐变小,该结论与肖彬[13]等试验研究结果相同。

图4 雾化角与螺旋倾角的关系Fig.4 Relationship between atomization angle and spiral inclination

2.3 喷嘴流量与螺旋倾角的关系

喷嘴流量随喷嘴螺旋倾角的变化曲线如图5。图5 显示，在系统喷射压力一定时，3 种不同螺旋倾角的喷嘴，随着喷嘴螺旋倾角的变小，喷嘴流量随之减小，且在系统喷射压力2 MPa 时，螺旋倾角对喷嘴流量的影响最小，其减小幅度仅为0.004 L/s,其原因是螺旋倾角越小，射流震荡频率较低且液体流线较长，喷射阻力大，不利于液体喷射。图5 还表明，3 种不同螺旋倾角的喷嘴流量都随着喷雾压力的增大而增大。

图5 喷嘴流量与螺旋倾角的关系Fig.5 The relationship between nozzle flow and spiral inclination

2.4 粒子SMD在不同螺旋倾角喷嘴下的轴向分布

雾粒SMD 在不同螺旋倾角喷嘴下的轴向分布如图6。可以看出，在相同的轴向位置，随着喷雾压力的增加，3 种螺旋喷嘴的雾粒SMD 整体呈下降的趋势，在3 个不同位置处，当液体压力在1～2 MPa内，对于30°、40°螺旋喷嘴，雾滴颗粒SMD 急剧下降，当液体压力在2～3 MPa 内，雾滴颗粒SMD 下降趋势逐渐变缓，对于50°螺旋喷嘴，变化趋势正好相反，且在距喷嘴口25 cm 处，30°螺旋喷嘴在系统压力为 3 MPa 时，雾粒 SMD 最小，最小为 30.04 μm。图6 同时也表明，在距离喷嘴15～25 cm 的位置，对于3 种不同倾角的螺旋喷嘴，在相同的液体喷射压力下，随着距喷嘴喷射口轴向距离的增加，雾粒SMD 快速减小，这是因为随着距离的增大，在单位体积内气体逐渐增多而雾化雾粒逐渐减少，此时在雾滴二次雾化的同时也相应的减少了雾化液滴相互之间碰撞集合的可能性，此时液滴聚合效应小于破碎效应，因此雾化液体雾粒SMD 迅速减小。

图6 雾粒SMD 在不同螺旋倾角喷嘴下的轴向分布Fig.6 Axial distribution of fog particle SMD under different spiral angle nozzles

由图6 还可以看出，在不同的轴向位置，随着系统喷雾压力的增加，3 种螺旋喷嘴的雾粒SMD 整体呈下降的趋势，同时发现，在相同的系统喷射压力下，雾粒SMD 随着喷嘴螺旋倾角的增加而增大，当系统压力为2 MPa 时，在距喷射口15 cm 处，螺旋倾角对雾粒 SMD 的影响最大，30°～50°螺旋喷嘴的雾粒SMD 变化幅度最大为45 μm，这是因为随着螺旋倾角的减小，高压力的液体在经过小的螺旋倾角喷嘴芯后被加速进入螺旋室，1 个旋转空腔在螺旋室的中心位置处形成，液体射流以相对于周围气体以较高的速度从喷嘴喷射而出，高速射流在空气的微弱扰动下，其振动幅度已经达到未受干扰液体射流直径的一半，同时受到气液之间强烈的剪切作用使得喷射液体雾化成微小雾滴。

2.5 雾粒轴向速度与喷嘴螺旋倾角的关系

雾粒轴向速度随喷嘴螺旋倾角的变化曲线如图7。从图7 中可以看出，在相同的喷射压力下，喷嘴螺旋倾角越大，雾粒运动速度越小，同时在系统喷射压力为3 MPa 时，雾粒轴向速度受螺旋倾角的影响最大，其速度变化幅度为10.3 m/s。且在喷嘴螺旋倾角相同时，随系统喷射压力的增加雾粒轴向运动速度也增大。

图7 雾粒速度与喷嘴螺旋倾角的关系Fig.7 Relationship between fog particle velocity and nozzle spiral inclination

3 结 语

1）在同一喷射压力下，液体的喷射距离、喷嘴出口雾化角和雾粒的轴向速度都随着喷嘴螺旋倾角的增大而减小，当系统压力在3 MPa 时，3 种螺旋喷嘴中30°螺旋喷嘴的喷射距离最远，达到4.7 m 左右，且雾粒轴向速度受螺旋倾角的影响最大，其速度变化幅度为10.3 m/s。

2）在同一喷射压力下，随着喷嘴螺旋倾角的增大，喷嘴流量和雾粒SMD 也随之增大，且在距喷嘴口25 cm 处，30°螺旋喷嘴在系统压力为3 MPa 时，雾粒SMD 最小，最小为30.04 μm。当系统压力为2 MPa 时，在距喷射口15 cm 处，螺旋倾角对雾粒SMD 的影响最大，30°～50°螺旋喷嘴的雾粒 SMD 变化幅度最大为45 μm。