喷嘴螺旋倾角对雾化性能影响的试验研究_苗懂艳.pdf

第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 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 喷嘴螺旋倾角对雾化性能影响的试验研究 苗懂艳 1， 2， 高贵军1， 2 （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） 摘要 通过试验研究以理解螺旋喷嘴的雾化性能。利用激光粒度分析仪和高速摄像机试验研 究了喷雾锥角， 喷嘴流量， 喷雾射程， 粒子速度， 雾滴的平均直径 （SMD） 等性能参数。结果表明， 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， 然而， 喷嘴流量和雾粒 SMD 随着喷嘴螺旋倾角的增大而增大。在系统喷射压力 为 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；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； 在系统喷射压力为 3 MPa 时， 螺旋倾角对雾粒轴向速度的影响最大， 其速度变化幅度为 10．3 m/s。 关键词 螺旋倾角； 喷嘴； 液滴 SMD； 雾化角； 喷射压力； 喷雾降尘 中图分类号 TD714．4文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 04-0014-04 Experimental Study on Influence of Nozzle Spiral Inclination Angle on Atomization Perance MIAO Dongyan1,2, GAO Guijun1,2 （1.School of Mechanical and Transportation Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2.Shanxi Mine Fluid Control Engineering Laboratory, Taiyuan 030024, China） Abstract Through experimental research to understand the atomization perance of the spiral nozzle, the perance parameters such as spray cone angle, nozzle flow rate, spray range, particle velocity, and average diameter of droplets（SMD）were studied by laser particle size analyzer and high speed camera. The results show that under the same injection pressure, the jet distance of the liquid, the atomization angle of the nozzle outlet and the axial velocity of the fog particle decrease with the increase of the nozzle inclination angle. However, the nozzle flow and fog particle SMD increase with the increase of the spiral inclination of the nozzle. When the system injection pressure is 2 MPa, the spiral tilt angle has the least influence on the nozzle flow rate, and the reduction is only 0.004 L/s; and at 25 cm from the nozzle, the 30 spiral nozzle at the system pressure is 3 MPa, fog particle SMD is the smallest, with a minimum of 30.04 m; when the system injection pressure is 3 MPa, the spiral tilt angle has the greatest influence on the axial velocity of the fog particle, and the change range of its velocity is 10.3 m/s. Key words spiral tilt angle; nozzle; droplet SMD; atomizing angle; injection pressure; spray and dust reduction DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.004 苗懂艳， 高贵军．喷嘴螺旋倾角对雾化性能影响的试验研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4 ） 14-17. MIAO Dongyan, GAO Guijun. Experimental Study on Influence of Nozzle Spiral Inclination Angle on Atom- ization Perance ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 14-17. 移动扫码阅读 14 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 图 3射程与螺旋倾角之间的关系 Fig.3Relationship between jet distance and spiral inclination 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。 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。 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。 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, 图 1喷嘴结构图 Fig.1Nozzle structure diagram 图 2喷嘴雾化性能试验系统 Fig.2Nozzle atomization perance test system 15 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 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 该结论与肖彬[13]等试验研究结果相同。 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。 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。 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 图 4雾化角与螺旋倾角的关系 Fig.4Relationship between atomization angle and spiral inclination 图 5喷嘴流量与螺旋倾角的关系 Fig.5The relationship between nozzle flow and spiral inclination 16 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 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。 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。 参考文献 ［1］ 庞杰文， 谢建林， 李川田， 等．大采高综采工作面粉尘 分布特征研究 ［J］ ．煤炭科学与技术， 2017， 45 （3） 78. ［2］ 李洪喜， 张建林， 刘燕萍， 等．矿井降尘超声雾化喷嘴 空化流动特性仿真研究 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （1） 40-43． ［3］ 王鹏飞， 刘荣华， 汤梦， 等．煤矿井下高压喷雾雾化特 性及其降尘效果实验研究 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （9） 2124-2130． ［4］ Payri R, Salvador FJ, Gimeno J,et al.Diesel nozzle geom etry influence on spray liquid -phase fuel penetration inevaporative conditions ［J］ . Fuel,2008,87 （7） 1165. ［5］ Husted, Bjarne Paulsen, Petersson Per,et al. Comparison of PIV and PDA droplet velocity measurement tech- niques on two high-pressure water mist nozzles ［J］ . Fire Safety Journal, 2009, 44 （8） 1030-1045. ［6］M R Soltani, K Ghorbanian, M Ashjaee,et al. Spray characteristics of a liquid liquid coaxial swirl atomizer at different mass flow rates ［J］ . Aerospace Science and Technology, 2005, 53 （9） 592-604. ［7］ 孙晓霞．超声波雾化喷嘴的研究进展 ［J］ ．工业炉， 2004， 26 （1） 19-23. ［8］ 李洁莹．井下煤尘产生机理分析 ［J］ ．山西焦煤科技， 2011， 35 （10） 36-37． ［9］ Rashad M, Yong H, Zheng Z. Effect of geometric param- eters on spray characteristics of pressure swirl atomizers ［J］ . Int. J. Hydrogen Energy, 2016, 41 （35 ） 15790. ［10］ Ebrahimi A, Langrish T A G. Spray drying and crystal- lization of lactose with humid air in a straight-through system ［J］ . Drying Technol, 2015, 33 （7 ） 808-816. ［11］ WU Liyin, WANG Zhenguo, LI Qinglian,et al.Investi- gations on the droplet distributions in the atomization of kerosene jets in supersonic crossflows ［J］ . Applied Physics Letters, 2015, 107 （10） 1-4. ［12］ 梁钦， 高贵军， 刘邱祖．压力型雾化喷嘴射流喷雾气- 液两相流数值模拟 ［J］ ．中国粉体技术， 2015， 21 （2） 5-9. ［13］ 肖彬．内混式两相流喷嘴的雾化特性研究 ［J］ ．科学技 术与工程， 2012， 12 （27） 6912-6917． 图 7雾粒速度与喷嘴螺旋倾角的关系 Fig.7Relationship between fog particle velocity and nozzle spiral inclination 作者简介 苗懂艳 （1993） ， 山西吕梁人， 在读硕士研 究生， 主要从事液体喷雾降尘方面的研究。 （收稿日期 2019-07-25； 责任编辑 李力欣） 17 ChaoXing