霧炮機噴霧流場試驗研究
發布時間：2020-11-17 08:11:17 瀏覽
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近年來，日益突出的露天礦山粉塵污染問題已經引起社會的廣泛關注。由于露天礦山等主要產分粉塵作業場空間較大、采裝作業設備體積較大且經常移動，作業空間不宜封閉，使得一些常規措施使用不方便，為防塵工作帶來了一定的困難。霧炮噴霧降塵技術是目前國內外露天礦山使用的一種新型降塵技術，較初它主要用于農業和園林市政工程。霧炮噴霧空間流場分布直接影響霧滴分布及霧滴飄移，從而影響適用范圍及較終降塵效率。下面我們通過實驗測試，掌握霧炮工作時的空間流場分布情況，揭示其流場分布及風流擴散規律，為提高霧炮工作效率及參數優化設計提供參考。
1、工作原理及空間流場分析
1.1工作原理
霧炮如圖所示，其工作原理是采用噴霧重力降塵技術，通過高壓將水霧化成與粉塵大小相當的顆粒，在風機的作用下，將水霧拋射到塵源上方或周邊進行噴霧，塵埃顆粒與水珠顆粒產生接觸而變得濕潤，被濕潤的粉塵顆粒繼續吸附其它粉塵顆粒，逐淅凝結成顆粒團，并在重力作用下沉降，從而達到快速降塵的目的。
1.2空間流場分析
在通常情況下，霧炮均布置在開闊的戶外，它工作時產生的霧流從出風口噴到外部空間，可視為流出到無限大空間中；噴嘴產生的霧流在風流作用下，均勻地擴散到整個空間流場內，由于霧流中的霧滴直徑通常小于100um，且噴霧流量也較小，霧滴自身質量對于整個空間流場分布的影響很小，為簡化起見，采用單項氣流場可基本反映流場規律；同時出口風速較大，流動呈紊流狀態，霧炮的風流擴散，可按照無限空間中圓斷面紊流射流進行分析。
出風口的風流沿x向流動，紊流的橫向脈沖造成射流與周周介質之間不斷發生質量與運量變換，并不斷代入周圍介質，它不僅使邊界擴張，而且使射流主體的流速逐漸降低。軸心速度較大，從軸心向邊界層邊緣速度逐漸減少至零；距出風口越遠，邊界層厚度越大，而軸心速度則越??；射流整體形成了向周圍擴散的錐形流場。根據流體力學理論，圓斷面射流軸心速度可按下式進行計算。
式中：vm為出風口軸線上的風流速度，m/s；v0為出風口處的風流初始速度，m/s；a為紊流系數；x為距出風口距離，m；d0為出風口直徑，m。
2、試驗測量方法
2.1試驗設備及測點布置
試驗用霧炮機由軸流風機、柱形風筒、收縮風筒及組合噴嘴架4部分組成，如下圖所示。柱形風筒和收縮出風筒內裝有導流葉片和導流器，調整軸流風機產生的風流，使其盡量沿出風口軸向流出，提高風流軸向穩定性。霧炮出風口直徑為320mm。為測量霧炮工作時的氣流空間流場分布，設置出風口幾何中心點為原點位置，出風口軸線縱向方向為x軸，豎直向上為z軸，由此建立三維直角坐標系進行測量。
相對于中心軸而言，霧炮的風筒是一個對稱結構，除重力加速度的影響外，可以將速個風筒內的流場簡化為一個二維問題，在無限空間中，霧炮的工作流場可簡化成為二維問題。所以選擇xy平面進行測量，即可反映整個空間分布情況。在出風口前方，以垂直于軸線縱向每隔500mm和平行于軸向每隔100mm的交點作為風速測量點。
風速測量采用Testo 416葉輪風速計，測量范圍0.6~40m/s，分辨率0.1m/s；風量按照GB/T1236-2000《工業通風機用標準化風道進行性能試驗》進行測量。為減小外界自然風對測量的影響，該試驗所有測量均在室內進行。
2.2試驗方法
2.2.1出風口軸向（x向）風流的風速測量
如上圖所示，沿出風口軸線x方向每隔500mm設置一個測點，測量相應位置x軸上的風流速度，直到風速測量值小于3m/s為止。每個采樣點測量30s，取其平均值為該點測量風速。通過電動機變頻器調節軸流電動機頻率，改變其供風量，按照上述方法分別測量供風量為110、92和83m3/min時，霧炮軸線（x向）各測量點的風速值。
2.2.2出風口橫向風流擴散測量
如上圖所示，沿出風口軸線x軸方向每隔500mm設置一組測點，在出風口橫向y軸方向，每隔100mm測量一次風速，直到速測量小于1m/s為止。每個采樣點測量30s，取其平均值為該測量風速。
3、試驗結果分析
3.1出風口軸向（x向）風速衰減規律
在3種不同霧炮風量條件下，霧炮的軸向風速測量結果。
從上可以看出，送風量不同時，出風口軸向風流衰減規律基本相同，隨著距出風口距離的增加，風流速度逐漸衰減。距出風口較進處衰減較快，距出風口較遠處衰減較慢，具有相似于冪函數的衰減變化規律。
4、結論
(1)試驗結果表明，霧炮工作時，空間流場擴散基本符合無限空間中圓斷面紊流射流結構特征；因此，在設備設計制造或選用時可根據圓斷面射流理論進行初步分析。
(2)霧炮出風口軸向風速呈冪函數衰減，距出風口近處衰減較快，距出風口較遠處衰減較慢；出風口送風量越大，風流速度越大，有效射程越遠。
(3)霧炮產生的風流，在橫向以出風口中心線為中心對稱軸呈“∩”形分布，射流邊界隨出風口距離增大呈線性擴展。距出風口越近，橫向衰減速度越快，風流影響范圍越窄；隨著距出風口距離的增加，橫向衰減速度逐漸減小，風流影響范圍逐漸擴大。
(4)雖然軸流風機產生的風流經導流葉片進行導流，但出風口流仍存在一定渦旋性，從而導致霧炮出風口中心軸線兩側氣流擴散略有微小差異，為提高噴霧降塵效率，應加強導流葉片及導流筒結構設計。
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