矿井喷雾降尘超声雾化激振喷嘴参数优化仿真分析_温禄淳.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 矿井喷雾降尘超声雾化激振喷嘴 参数优化仿真分析 温禄淳 1,2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113006） 摘要 为了提高矿井喷雾降尘用喷嘴的水射流雾化效率， 设计了一种结合自激振荡的高效雾 化喷嘴， 并通过数值仿真的方法对其关键参数进行优化。研究结果表明 当通道内有流体通过时 产生了速率呈现层状分布特征， 在喷嘴腔内形成涡旋流场， 在靠近谐振腔的前部区域喷嘴速度 达到 100 m/s 以上； 当超声波和自激振荡波发生共同作用时， 喷嘴内达到最优湍流扰动效果， 获 得更优的雾化效果； 当角度变小后获得更大的内腔体积， 处于 60～70的碰撞壁角度范围内， 涡 旋对喷嘴内腔形成充满状态， 获得更明显湍流作用； 在谐振腔达到 3 mm 的深度时， 实现了最优 灌入效果， 并且激波也明显增强； 随着谐振腔深度的增加， 湍流动能表现出单调减小的变化规 律； 处于更大的谐振腔深度下， 湍流动能随之提高， 由此实现更强湍流作用。 关键词 喷雾降尘； 超声雾化喷嘴； 自激振荡； 喷嘴腔优化； 数值仿真 中图分类号 TD714.41文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 11-109-04 Simulation and Analysis of Parameters Optimization of Ultrasonic Atomizing Nozzle for Mine Atomizing Dust Removal WEN Luchun1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract In order to improve the water jet atomization efficiency of the nozzle used in mine atomization for dust removal, an efficient atomization nozzle combined with self -excited oscillation was designed, and its key parameters were optimized by numerical simulation. The results show that when the fluid passes through the channel, the velocity presents a laminar distribution characteristic, ing a vortex flow field in the nozzle cavity, and the nozzle velocity reaches more than 100 m/s in the front area near the resonant cavity. When ultrasonic wave and self -excited oscillation wave interact together, the optimal turbulence disturbance effect is achieved in the nozzle, and the better atomization effect is obtained. When the angle becomes smaller, a larger volume of the inner cavity is obtained, which is within the collision wall angle range of 60 to 70. The vortex s a filling state on the inner cavity of the nozzle to obtain a more obvious turbulence effect. When the resonator reaches the depth of 3 mm, the optimal injection effect is achieved, and the shock wave is significantly enhanced. With the increase of cavity depth, the turbulent kinetic energy decreases monotonically. At a larger cavity depth, the turbulent kinetic energy is increased and the turbulent effect is stronger. Key words spray dust fall; ultrasonic atomizing nozzle; self-excited oscillation; nozzle cavity optimization; numerical simulation 矿井粉尘治理一直是制约煤矿安全建设的一大 难度，尤其是呼吸性粉尘的治理难度很大。喷雾湿 式降尘最为最易实现的方式在煤矿安全中得到广泛 的应用，喷嘴最为其执行单元不可或缺。Hartmann DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.022 温禄淳.矿井喷雾降尘超声雾化激振喷嘴参数优化仿真分析 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11） 109-112. WEN Luchun. Simulation and Analysis of Parameters Optimization of Ultrasonic Atomizing Nozzle for Mine Atomizing Dust Removal ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 109-112.移动扫码阅读 109 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 2喷嘴速度分布云图 Fig.2Cloud diagram of nozzle velocity distribution 图 1二维模型简图 Fig.1Schematic diagram of the two-dimensional model 哨型喷嘴是一种可以利用自身结构来产生超声雾化 效果的流体动力喷嘴， 得到微米尺寸的小雾滴[1-5]。 最早采用 Hartmann 哨型喷嘴来实现喷雾除尘功能 的公司来自于美国，之后随着超声雾化器结构的不 断改进，最终在工业领域获得广泛使用。到目前为 止， 已有大量学者对 Hartmann 哨型喷嘴开展了深入 研究，设计了多种结构的超声波雾化喷嘴，进一步 拓展了更多应用领域[6-10]。 目前已有大量学者从不同方面研究了超声雾化 喷嘴的结构特征与运行过程。汪朝晖等[11]将 Hart－ mann 哨型超声雾化喷嘴置于重油雾化环境中运行 测试，同时在各雾化空气压力与液体压力条件下测 定轴向粒径尺寸。王品贺[12]配制得到不同浓度的浆 液，在分别以不同外形喷嘴对其实施超声雾化， 包 括扇形、 螺旋形、 锥形、 空心等多种结构。此外， 也有 一些研究人员运用其它结构的喷嘴来达到更优喷雾 效果。李洪喜[13]通过将自激振荡喷嘴与 Hartmann 哨 喷嘴相结合的方式设计出了一种实现高效喷雾的超 声激振喷嘴，同时以 FLUENT 软件对此喷嘴内的流 场状态进行了仿真仿真，比较了不同共振距离与各 个喷嘴撞壁角条件下形成的喷嘴流场分布形态。通 过分析测试结果可知，但介质与碰撞壁发生作用的 过程中，在喷嘴中产生了很强的湍流现象，并且各 个液滴也发生了剧烈碰撞，进一步改善雾化效率。 但大部分学者都是从超声雾化的机理角度开展相关 研究，并未深入分析各项参数的优化过程。为获得 更强的水射流雾化能力，开发了一种可以实现自激 振荡功能的超声雾化喷嘴，对其进行了仿真测试获 得优化的工艺参数。 1超声雾化喷嘴模型 当液体从喷嘴区域往外喷射时，液体与气体之 间的速率存在差异性，由此引起流动液体的破碎现 象，同时在液体表层形成超声波作用并产生分离的 液滴。利用超声激振喷嘴来同时实现自激振荡与超 声雾化的效果，从而共同发挥自激振荡波和超声波 的综合作用效果。超速激振喷嘴的二维模型简图如 图 1。喷嘴关键结构参数如下①进液口直径 10 mm； ②高速喷嘴直径 2 mm； ③谐振腔深度 3、 4、 5、 6 mm； ④碰撞壁角度 α 30、 45、 60、 70； ⑤喷嘴出 口直径 4 mm； ⑥喷嘴整体长度 41.4 mm； ⑦喷嘴整 体宽度 30 mm。 通过 GAMBIT 流体网格软件处理喷嘴结构生成 的模型网格以及对喷嘴谐振腔实施网格划分。喷嘴 计算区域边界类型见表 1,介质为液态水， 其密度等 于 998 kg/m3， 运动黏度等于 0.009 1 cm2/s， 出口部 位的压力等于 1 个标准大气压，通过标准壁面函数 对近壁面进行处理。将动量方程表示成 fluent 一阶 的形式。再利用 k-w 双方程构建湍流模型。 2参数优化仿真 2.1流场特性机理 利用速度分布云图得到不同流场区域中的流体 速度， 喷嘴速度分布云图如图 2。 由图 2 可知，当通道内有流体通过时产生了速 率呈现层状分布特征的流场，出现的原因在于黏性 流体接触喷嘴内壁并发生相互摩擦的过程中，与壁 区接触的流体速率降低，因此与内侧流体形成了不 表 1喷嘴计算区域边界类型 Table 1Boundary type of nozzle calculation area 边界名称边界类型说明 液体工质喷嘴入口inlet入口边界条件 液体工质喷嘴出口outlet出口边界条件 喷嘴壁面wall壁面边界条件 对称轴线symmetric对称边界条件 参照压力/Pa1.013105 110 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 表 2碰撞壁角度 70时压力和湍动能随谐振腔深度变化 Table 2Variation of cavity depth and pressure when the collision wall angle is 70 谐振腔深度/mm01234 压力/MPa 湍流动能/ （m2 s-2） 1.68 31.20 1.73 38.62 2.32 46.22 6.42 66.82 3.16 50.28 同的速度，表现为具有层状特点的速度，同时在喷 嘴腔内形成了涡旋流场；在靠近谐振腔的前部区域 喷嘴速度达到了 100 m/s 以上，当谐振腔内形成周 期性流动的高速流体时，引起流体的相互碰撞并使 谐振腔内与附近区域产生声波，同时发现随着撞击 速度的提高，超生波获得了更大的振动频率，由此 导致流体发生剧烈振动的现象并引起空化泡，接着 空化泡发生破裂后释放出很大的能量；当超声波和 自激振荡波发生共同作用时，喷嘴内达到了最优湍 流扰动效果， 由此获得更优的雾化效果。 2.2参数优化 2.2.1碰撞壁角度优化 不同碰撞壁角度下矢量图如图 3，各个碰撞壁 角度获得的喷嘴流场涡旋存在明显差异。对图 3 进 行分析可以发现，采用以上设计角度时，在流场内 产生了强度基本一致的自激涡旋；通过对比可知， 由于碰撞壁角度不同，导致喷嘴形成不同空间大小 的内腔，结果显示当角度变小后获得了更大的内腔 体积，并且由于内腔形成了具有相近强度的涡旋， 因此所有涡旋都形成了大小基本相近的辐射区范 围，随着内腔体积的减小，湍流扰动程度也明显增 强，分析不同角度下形成的矢量图可以发现，处于 60～70的碰撞壁角度范围内， 涡旋对喷嘴内腔形成 了充满的状态， 从而获得更明显湍流作用。 2.2.2谐振腔深度优化 碰撞壁角度 70时压力和湍流动能随谐振腔深 度变化见表 2， 其中最低压力出现在谐振腔口区域， 越靠近谐振腔底部时，压力也不断变大，最后在谐 振腔底部形成最大的压力，引起这种变化的原因在 于谐振腔口部位达到了很快的流速，此时谐振腔内 迅速进入流体，同时液体流率随着与谐振腔底部距 离越小而不断减慢， 使液体更难被灌入谐振腔； 增加 谐振腔深度后， 在内部形成了更大的压力， 此时需要 流体达到更快速率才能进入谐振腔， 通过测试发现， 在谐振腔达到 3 mm 的深度时，实现了最优灌入效 果， 并且激波也明显增强。 对表 2 进行分析可以发现，不同谐振腔深度下 形成的压力呈现先增加后减小的变化规律，最大值 发生在谐振腔深度 3 mm 时。随着谐振腔深度的增 加，湍流动能表现出和压力一样的规律。这是因为 处于较大的谐振腔深度下，湍流动能随之提高， 由 此实现更强湍流作用，在谐振腔深度 3 mm 时达到 最大值；但继续增加谐振腔深度会使得超声波共振 效果不够集中，降低了流体内部的集中紊流效果， 使得湍流动能降低。 3结语 1） 当通道内有流体通过时产生了速率呈现层状 分布特征的流场， 表现为具有层状特点， 在喷嘴腔内 形成涡旋流场；在靠近谐振腔的前部区域喷嘴速度 达到 100 m/s 以上；当超声波和自激振荡波发生共 同作用时， 喷嘴内达到了最优湍流扰动效果， 由此获 得更优的雾化效果。 2） 当角度变小后获得了更大的内腔体积， 处于 60～70的碰撞壁角度范围内， 涡旋对喷嘴内腔形成 充满状态，获得更明显湍流作用。在谐振腔达到 3 mm 的深度时， 实现了最优灌入效果， 并且激波也明 显增强。 3） 随着谐振腔深度的增加， 湍流动能表现出单 调减小的变化规律。处于更大的谐振腔深度下， 湍 流动能随之提高， 由此实现更强湍流作用。 参考文献 ［1］ 李刚， 吴超.超声干雾抑尘机理及其技术参数优化研 究 ［J］ .中国安全科学学报， 2015， 25 （3） 109-113. ［2］ 郝俊忠， 韩振南， 李德镇， 等.变截面喷孔内油液流动 图 3不同碰撞壁角度下矢量图 Fig.3Vector diagram at different collision wall angles 111 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 2016 （5） 248-250. ［2］ 何周平.电缆着火原因及防火措施 ［J］ .石油化工安全 技术， 2007 （1） 9-10. ［3］ 高云鹏， 谭甜源， 刘开培.电力电缆温度监测方法的探 讨 ［J］ .绝缘材料， 2014， 47 （6） 13-22. ［4］ 刘云红.光纤光栅传感器技术及其应用 ［J］ .传感器世 界， 2005 （3） 20-23. ［5］ 李波， 袁鑫铭， 薄春波， 等.非接触缆式线型感温火灾 探测器在火电厂应用探讨 ［J］ .机电安全， 2019 （9） 9. ［6］ 朱军， 范典.光纤光栅隧道火灾探测器的设计研究 ［J］ . 武汉理工大学学报， 2007 （4） 107-109． ［7］ 郑晓文， 郑红.工作电流对热敏电阻测温的影响 ［J］ .宇 航计测技术， 2001 （4） 44-52. ［8］ 陈洪权.基于线型感温火灾探测器的电缆隧道火灾实 验 ［J］ .铁道车辆， 1979 （6） 18-22. ［9］ 张杨， 陈启军．常用隧道火灾探测器原理、 应用及研究 动态 ［J］ .地下空间与工程学报， 2006 （2） 311-314． ［10］ 卢纪东. 可恢复式缆式线型感温火灾探测器的工作 原理与工程应用 ［J］ .电机电信息， 2012 （36） 46-47. ［11］ 王琦.缆式线型感温火灾探测器在核电厂的应用 ［J］ . 电力安全技术， 2016 （6） 31-35. 作者简介 付文俊 （1970） ， 黑龙江哈尔滨人， 研究员， 博士， 2010 年毕业于辽宁工程大学， 中国矿业大学 （北京） 博士后出站，从事煤矿安全智能化产品的开发和工程设计 工作。 （收稿日期 2020-05-22； 责任编辑 李力欣） （上接第 108 页） 性能的 CFD 模拟分析 ［J］ .中国农机化学报， 2015， 36 （4） 148-153. ［3］ 张文俊， 武明亮， 郭丽潇， 等.超声雾化频率与雾化粒 径关系的实验研究 ［J］ .压电与声光， 2013， 35 （6） 886-888. ［4］ 李波， 张晓东.超声波雾化装置在单缸柴油机上应用 的研究 ［J］ .中国农机化学报， 2015， 36 （2） 211-214. ［5］ 王晓翠.不同进口压力下柴油机非对称喷嘴内部流动 特性的数值分析 ［J］ .液压与气动， 2019 （5） 104-108. ［6］ G J Sreejith, Narayanan S, Jothi T J S, et al. 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