基于外混式空气雾化喷嘴雾化粒径的特性研究

丁彪，袁锐波，李贇钊，马永达

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）

0 引言

近年来，我国工业飞速发展，并取得惊人成就。煤矿资源在工业发展中扮演着重要的角色，随着工业发展，对煤炭的需求与日俱增，使煤矿开采的范围不断加大加深；然而大多大型采矿机器作业时会产生极高浓度的矿物粉尘，煤矿粉尘有其特殊的物理化学性质，不仅影响现场作业的效率和一些精密仪器的使用寿命，而且会增大长期工作在煤矿粉尘环境工人患尘肺病的概率[1-4]。在采矿作业中煤矿粉尘是影响工作效率和安全生产的关键因素，因此，降低煤矿粉尘浓度是提高工作效率和改善工人工作环境的有效措施。

在所有雾化原理中，外混式空气雾化喷嘴雾化是最具有代表性的形式[5]。因为外混式空气雾化喷嘴具有结构简单、更换方便、制造成本低、实用等特点[6-7]，所以外混式空气雾化喷嘴雾化是最具有代表性的形式[5]。外混式空气雾化喷嘴雾化原理是，高速气流通过气道切向或垂直与喷出的液体射流在喷口外部混合，并利用气液相互冲击和摩擦的作用而产生雾化，是目前国内外普遍认可的一种喷雾除尘技术[8]。因为雾化粒径大小和均匀性是决定除尘效果关键因素，所以本文基于外混式空气雾化喷在不同工况下展开对雾化粒径特性研究，以达到最佳的除尘效果。

1 实验设备与方案

1.1 实验设备

本实验平台主要由外混式空气雾化喷嘴、高速摄像机、计算机、供水设备、供气设备、参数调节装置、背光光源和透明实验罩等部分组成，高速摄像机安装在实验罩的一侧，背光光源安装在另一侧与高速摄影机相对称。实验平台如图1 所示。

图1 加料喷嘴雾化试验系统原理图Fig.1 Schematic diagram of atomization test system for feeding nozzle

喷嘴结构如图 2 所示，喷射区出口径2 mm。

图2 外混式空气雾化喷嘴示意图Fig.2 Schematic diagram of external-mixing type atomizer

1.2 实验方案

在进行雾化实验时，由供水设备和供气设备提供不同工况的气流水流，通过连接管件通入外混式空气雾化喷嘴中，在气液二相流相互冲击作用下在透明实验罩中产生雾化效果，高速摄像机通过背光光源补光采集雾化的图像信息，并将图像信息传输至计算机，用专业的图像处理软件对雾化图像进行处理，从而得到在不同工况下产生的雾化颗粒的直径大小数据。

2 雾化实验内容

2.1 雾化颗粒数据采集

根据外混式空气雾化喷嘴的使用参数设定不同工况进行实验，实验参数见表1。

表1 实验工况信息Tab.1 Information of experimental condition

本实验设定的水流量为20，25，35，40 kg/h，温度为20，25，30，35 ℃，气体压力为0.15，0.2，0.25，0.3 MPa，实验时，采用表中不同工况下的参数依次交换进行试验。首先调整高速摄像机与背光光源的相对位置，以获得最佳的采光效果，两者位置应处于同一轴线上。将计算机连接到高速摄像机和各个参数调节设备，并用计算机控制参数调节设备得到实验所需的水温度、水流量和气压等，高速摄像机对雾化过程连续拍摄，然后将采集的图像传输至计算机，利用VisionPro 软件对图像进行处理，得出雾化粒径的形态信息，图像如图3 所示。

图3 高速摄像机下雾化粒径图Fig.3 Atomized particle size under high-speed camera

2.2 实验结果分析

在实际雾化场中，雾化颗粒的大小是不均匀的，所以在分析时采用工业应用中最常见的表面平均直径（d32），以索特尔平均直径（SMD）[9]来表征雾化粒径的尺寸。索特尔平均直径是当假设的雾化粒径组的体积表面积比与真实雾化粒径组的体积表面积比相同时的值，计算公式如下：

式中：Ns——假想雾化颗粒都为平均直径时的雾化颗粒数目；Ni——实际直径时的雾化颗粒数目。

在液滴组体积相同的情况下，SMD 值的大小可反应雾化效果的优劣，值越大表示雾化颗粒数越少，因此雾化颗粒的径向尺寸越大，雾化效果就越差，反之雾化效果越好。表2—表5 分别是经过图像处理软件VisionPro 处理计算得到的不同工况下水流量对雾化索特尔平均粒径（SMD）数值的影响。

表2 水流量为20 kg/s 的 SMD 值Tab.2 SMD values when water flow is 20 kg/s

表3 水流量为25 kg/s 的 SMD 值Tab.3 SMD values when water flow is 25 kg/s

表4 水流量为30 kg/s 的 SMD 值Tab.4 SMD values when water flow is 30 kg/s

表5 水流量为35 kg/s 的 SMD 值Tab.5 SMD values when water flow is 35 kg/s

将表2—表5 中的数据进行处理，横坐标为实验气体压力值，纵坐标为SMD 值，分别得到如图4 所示的曲线图。从图4 中可以看出，随着水流量增加，SMD 值先是有明显下降，这是由于当温度和压力一定的情况下，随着水流量增加雾滴之间产生相互碰撞的几率越大，由于喷出雾滴带有一定能量，所以碰撞之后产生更小的雾化颗粒；之后呈增大趋势，是由于水流量达到一定程度之后，雾化所需的能量也随之增大，而雾化系统所提供的能量有限，所以导致SMD 值增大。这说明雾化时，应根据喷嘴参数选择适当水流量，有利于优化雾化效果。

图4 雾化粒径分布图Fig.4 Distribution of atomized particle size

在雾化压力和水流量一定的情况下，从4 条不同的曲线图可以看出，SMD 值与水温值成正比关系[10]，这是一种物理变化。随着水温度增加，导致水的黏度降低，从而减小了水滴的表面张力，使得雾化所需的能量也就越小。此外，水温度增加还会加快水的蒸发速度从而减小雾化粒径，但是由于用于除尘，所以温度不宜过高。这说明雾化时，增加水温度有利于优化雾化效果。在水温和水流量一定时，随着气压增大，SMD 值有递减的趋势，这是由于气压是雾化所需能量来源，气压增加雾化能量随之增加，从而减小雾化粒径，这说明雾化时增加气体压力有利于优化雾化效果。从图中可以得出，当水流量为25 kg/h，水温为35℃，气压为0.30 MPa 时，喷嘴的雾化效果最佳，SMD 值为0.135 91 mm。

3 基于CFD 的雾化数值模拟

本文利用CFD 软件Fluent 对外混式空气雾化喷嘴进行雾化仿真，通过建立喷嘴模型，设置雾化参数，然后经过软件计算，可以将雾化过程变为可视化，从而可以对雾化的成型做进一步深入的研究分析。

根据实验平台创建一个2 400 mm×1 500 mm×1 500 mm 的透明实验罩模型对其进行网格划分，设置传热机制，粘性模型设置为k-ε 湍流模型[11]。创建喷嘴模型为气体辅助雾化（air-blast/air-assisted atomizer）模型，喷嘴直径设为2 mm，锥角设为103 °。重力加速度z 轴设为-9.8。Fluent 提供两种雾滴破碎模型，分别是泰勒类比破碎（TAB）模型和波致破碎模型，本文选取泰勒类比破碎模型，拽力参数设置为动态拽力模型，选择离散相模型DPM（拉格朗日离散粒子多相流）。当水流量为25 kg/h，水温为35 ℃，气压为0.30 MPa 时，喷嘴雾化效果最佳，选择实验数据中的最佳工况进行数值模拟：水流量为25 kg/h，水温为35 ℃，气压为0.30 MPa，然后进行瞬态计算，得到如图5 所示的雾化效果。

图5 雾化仿真图Fig.5 Atomization simulation

由图5 可知，雾化粒径在0.001 37～0.01 mm之间，喷洒的角度较大，雾化效果较为均匀，与试验结果相比误差在合理范围内，其主要误差来源为雾化环境因素的不确定影响。°

4 结论

通过在不同变工况下对外混式空气雾化喷嘴进行雾化实验与仿真研究，可以得出如下结论：

（1）利用高速摄像机将雾化形成过程变为可视化，得出不同工况下产生的粒径大小，并且通过实验结果分析得到影响雾化效果的几个关键因素：水流量、水温度、气体压力；随着水流量增加，SMD 呈现先减小后增加的趋势；随着水温和气体压力增加，SMD 呈现递减的趋势；当水流量为25 kg/h，水温为35 ℃，气压为0.30 MPa 时，喷嘴的雾化效果最佳，SMD 值为0.135 91 mm；

（2）通过建立外混式空气雾化喷嘴模型对其进行数值模拟，得出仿真结果与实验结果基本相符，说明该模型具有较高的准确性，对外混式空气雾化喷嘴的雾化研究具有重要指导意义。