内混式空气雾化喷嘴内部流动状况对喷雾效果的影响∗张㊀奎１，刘荣华２，王鹏飞２,３，王㊀健２，石佚捷２，裴㊀叶２ (１．湖南科技大学土木工程学院,㊀湖南湘潭市㊀４１１２０１;
２．湖南科技大学资源环境与安全工程学院,㊀湖南湘潭市㊀４１１２０１;
３．湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,㊀湖南湘潭市㊀４１１２０１)
摘㊀要：为了提高内混式空气雾化喷嘴的喷雾效果，采用数值模拟方法分析喷嘴内部流动状况对下游雾化效果的影响，并通过实验验证.结果表明：随气液压力比增大，液核长度明显缩短，液体一次雾化效果更好，并且喷嘴出口气液混合物的速度也更大，喷嘴内部流动状况更好；随气液压力比增大，喷嘴雾化锥角也较大，雾滴覆盖范围更广；喷嘴内部流动状况越好，实验测得的雾滴粒径也越小，由此可以看出喷嘴内部流动状况对于下游喷雾发展具有较大影响. 关键词：空气雾化喷嘴；喷雾降尘；喷嘴内部流动；雾化效果；数值模拟
０㊀前㊀言
矿山开采过程中产生大量粉尘，导致井下工作空间粉尘浓度极高，对安全生产㊁作业人员身体健康及周
边环境构成严重威胁[１].喷雾降尘由于具有经济㊁简便和实用等优点，广泛应用于矿山井下降尘[２].气水喷雾是以水和压缩空气作为双动力的一种新型喷雾方式[３]，具有雾化质量好[４]㊁耗水量小㊁喷嘴不易堵塞[５]等优点，被广泛应用于工业领域.内混式空气雾化喷嘴利用气液两相的相互作用力使液滴破碎，高速气流在喷嘴内部与低速液体混合，极大地改善了液体的雾化效果[６].但是由于缺乏足够的理论指导，实际应用中经常只凭经验调节工况参数，不仅浪费水资源，也不能达到应有的降尘效果[７].相关学者对内混式空气雾化喷嘴的研究[３Ｇ４,８]，更多的是通过实验分析了供气压力㊁供水压力等外部参数对喷嘴雾化特性的影响.
但是国外相关学者研究表明，喷嘴几何形状和内部流动状况和对喷雾的发展有较大影响[９Ｇ１１].在目前喷雾研究领域，通常认为实现液滴雾化最有效的途径是提高液滴与周围空气之间的相对速度[４].因此本文采用计算流体动力学方法，从喷嘴内部液体一次雾化及气液相对速度方面，对喷嘴下游雾化效果的影响进行分析.１㊀喷嘴内部模拟研究
１．１㊀物理模型与网格划分
内混式空气雾化喷嘴的结构见图１，喷嘴内压缩空气对液柱进行冲击破碎，形成带状液丝与液膜，此过程为一次破碎；然后高速气流裹挟着液丝从喷嘴空气帽出口喷出，在气液两相的相互作用力下，液丝进一步破碎成液滴，此过程为二次破碎[１２].其中喷嘴液体帽进气口直径为２．０m m，空气帽出
口直径为２．０m m.根据喷嘴结构，将喷嘴内流道联合外部喷雾场，采用G a m b i t软件建立几何模型，并进行网格划分，在近壁面区域增加边界层网格，如图２所示.
图１㊀内混式空气雾化喷嘴简化结构
１．２㊀数值计算参数设置
喷嘴内部模拟的两相流模型为流体体积函数模型，设置空气为第一相，水为第二相，气液间的表面张力系数为０．０７３N/m.湍流方程采用R N G k－ɛ
I S S N１６７１－２９００
C N４３－１３４７/T D采矿技术㊀第１９卷㊀第１期
M i n i n g T e c h n o l o g y,V o l．１９,N o．１２０１９年１月J a n．２０１９
∗基金项目：国家自然科学基金资助项目(５１５７４１２３)；湖南省自然科学基金青年基金项目(２０１７J J３０７６)．
图２㊀几何模型及网格划分
两方程湍流模型，压力速度耦合方式采用P I S O 算法.由于气体沿程损失和局部损失较大，且实验无法测量喷嘴进气孔入口的实际压力，因此采用气流量换算得到气体速度，并作为速度入口边界条件.
其中气流量采用公式(１
)[３]
计算，公式由相同喷嘴实验数据拟合得到.液体压力损失相对较小，因此进水口采用压力入口边界条件.喷雾场出口采用压力出口边界条件，为标准大气压１０１．３２５k P a .考虑到内混式空气雾化喷嘴的实际应用压力范围，供气压力和供水压力均在０．３~０．７M P a 间取值.
Q a i r ＝８．７６４１e x p ６．２５０７p a
i r ()－２．７５５２[]ˑ７．８５９９e x p －８．７８９２p L ()＋０．
１４２１[](１
)式中,Q a i r 为喷嘴气流量,L /m i n ;p a
i r 为供气压力,M P a ;p L 为供水压力,
M P a .１．３㊀数值模拟结果与分析图３是在不同气液压力比α下，喷嘴内外部流
场的气液两相分布图
.
图３㊀不同α下气液两相体积分数
㊀㊀由图３可知,
在气流的冲击破碎下，液体迅速雾化，液核在很短的距离内就已经消失.其中液核为未受气流扰动的连续液体核心，流动状态类似于单相射流的势核.随气液压力比增大，液核长度明显
缩短，液体一次雾化效果更好.当α＝１．６时，喷嘴出口处已经不存在液核，即在喷嘴内部液体已经充分一次雾化，有利于形成粒径更小的喷雾.将图３采用专业图像处理软件I m a g
eP r oP l u s 处理，可以得到喷嘴雾化锥角.如图４所示，随气液
压力比增大，气体扰动作用增强，液体一次雾化更充分，喷嘴出口喷雾扩散角度更大，喷雾覆盖范围变广，雾化效果更好
.
图４㊀α对喷嘴雾化角的影响
㊀㊀图５和图６为不同气液压力比下,
喷嘴出口截面处的速度分布图和气液两相体积分数分布图.对照两图可知，随气液压力比α的增大，虽然中间液核速度几乎相同，但液核周围速度有明显的增大，即气液间相对速度增大，气体扰动作用增强，中间液核的直径也减小明显，喷嘴内部液体一次雾化更充分.并且喷嘴出口气液混合物的速度更大时，下游的喷雾二次破碎作用也会更强，形成更小粒径的喷雾
.
图５㊀α
鼻渊散
对喷嘴出口速度的影响
图６㊀α对喷嘴出口气液体积分数的影响
８
０１采矿技
术㊀㊀２０１９,１９(１)㊀
２㊀喷雾效果实验
为了验证喷嘴内部流动状况对喷嘴下游雾化效果的影响，通过实验测量相应气液压力比下的喷嘴雾化锥角和雾滴粒径.雾化锥角采用高速摄像仪进行拍照，并由专业图像处理软件I m a g eP r oP l u s处理，如图７所示.在喷嘴下游５０c m处，通过马尔文
激光粒度分析仪测量喷雾的雾滴粒径.喷嘴雾化锥角和雾滴粒径实验结果均记录在表１中.
碳油图７㊀不同气液压力比喷嘴雾化锥角实验结果
表１㊀不同气液压力比下喷嘴雾化特性
旋转倒立摆气液压力比α雾化锥角D５０/μm D[４,３]/μm D[３,２]/μm
０．６２５３４４３８０２３８
０．８２７１６４１８４１２９
１．０２７９３１０３７６
１．２２８７４８２５２
１．４３０６２６９４４
１．６３２３３３８２３㊀㊀由表１可知，随气液压力比的增大，喷嘴雾化锥角也相应增大，虽然数值模拟结果比实验值偏大，但基本变化趋势一致.同时随气液压力比的增大，喷嘴内部流动状况越好，实验测得的雾滴粒径也越小，喷嘴的雾化效果改善，说明喷嘴内部流动状况对于下游喷雾发展具有较大影响.
３㊀结㊀论
盖形螺母(１)随气液压力比增大，液核长度明显缩短，液体一次雾化效果更好，并且喷嘴出口气液混合物的速度也更大，喷嘴内部流动状况更好，与实验测得雾滴粒径更小结果一致.
(２)随气液压力比增大，喷嘴雾化锥角也增大，雾滴覆盖范围更广.模拟得到的雾化锥角比实验值偏大，但基本变化趋势是一致的.
(３)研究结果显示，喷嘴内部流动状况对于下游喷雾发展具有较大影响.喷嘴内部流动状况越好，实验测得的雾滴粒径也越小，说明喷嘴的雾化效果越好.
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贺育民
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作者简介：张㊀奎(１９９４－)，男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要从事通风与除尘，喷嘴雾化特性研究,E m a i l:２３６８７３３６２３＠q q．c o m.
９０１
㊀张㊀奎，等:㊀内混式空气雾化喷嘴内部流动状况对喷雾效果的影响
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