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旋转射流作用下吸气流动的特性研究 * 王鹏飞 1 刘荣华 2 丘汉锋 2 王维建 2 1. 中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083;2. 湖南科技大学能源与安全工程学院， 湖南 湘潭 411201 摘要 通过试验对旋转射流作用下吸气流动进行了较全面的研究， 研究内容包括临界送风速度、 最佳喷口宽度及吸气 流场特性等。结果表明 旋转射流作用下吸气流动存在一个临界送风速度， 且其与排风量、 喷口宽度及射流轴向倾角 等因素有关; 存在一个临界吹吸比为最小值所对应的最佳喷口宽度; 旋转射流屏蔽作用下的抽吸流场具有中部压力较 低和提高抽吸能力的作用; 旋转射流作用下吸气流动不仅能有效地控制有害物扩散， 而且可以实现远距离捕集有害物 及以较小的排风量排放有害物。 关键词 旋转射流;吸气流动;临界送风速度;流场 STUDY ON THE CHARACTERISTICS OF SUCTION- AIRFLOW UNDER ROTARY JET Wang Pengfei1Liu Ronghua2Qiu Hanfeng2Wang Weijian2 1. School of Resources and Safety Engineering ，Central South University ，Changsha 410083 ，China; 2. School of Energy ＆ Safety Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China AbstractThe suction-airflow under rotary jet was made a relatively comprehensive study through some experiments，which included critical velocity，spout width and the characteristics of this suction-airflow． The results show that this kind of suction- airflow has a critical velocity which relates to exhaust air rate，spout width and air supply angle;it has a best spout width whose air supply-exhaust ratio is the least;The suction-airflow under the rotary jet can effectively control the deleterious materials，which greatly improves the suction． Therefore，it realizes long-distance trapping and low velocity emission of deleterious materials． Keywordsrotary jet;suction-airflow;critical velocity;flow field * 国家自然科学基金资助项目 50974060 ; 国家安全监察局安全生产 科技发展指导性计划项目 06- 396 。 0引言 普通吸口对于污染物的控制仅依靠单纯的吸气 流动， 因吸入速度衰减较快， 所需排风量随控制点与 吸口之间距离增大而急剧增大 ［1］; 另一类吹吸式吸 气流动， 利用射流与吸气流形成复合气流， 该气流具 有抗弯能力强， 排风量小的优点， 但由于其射流的特 性， 即遇到障碍物时易破裂， 使得控制效果恶化 ［2］; 利用射流作用下的吸气流场 但不是两者的复合 虽 然在一定程度上提高了抽吸能力， 但它的控制能力较 小， 当粉尘的逃逸速度或有害气体的浮升速度较大 时， 抽吸效率会大大降低 ［3- 4］; 由送风立柱和吸口组成 的旋转气幕作用下的吸气流动， 由于送风立柱的存在 及结构复杂影响操作， 而使应用空间受到限制 ［5］。 因此， 有必要研究一种新型的吸气流动方式， 使之在 不影响操作的前提下， 既有良好的控制效果， 又可以 减小控制污染物所需的排风量。人造龙卷风控制抽 吸的设想为防止有害物的扩散和进行远距离控制抽 吸提出了新的理论和方法 ［6- 7］。通过在普通吸口边缘 设置环形射流口， 并采取一定的加旋措施， 诱导出具 有一定旋转速度的环形射流， 并在吸口吸气流的共同 作用下形成新型旋转射流作用下吸气流动控制气 流 ［8］。为了更好的研究和利用这种吸气流动， 本文 通过试验来分析此种旋转射流作用下吸气流动耦合 流场特性， 揭示其作用机理， 为推广应用这一新技术 提供可靠的理论依据。 1试验装置 为了进行相关的试验研究， 笔者设计出具有内、 外两层的新型组合吸口， 如图 1 所示。将气流沿切向 方向导入组合吸口内、 外两层之间的夹层， 气流经过 85 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 夹层加旋后从环形喷口喷出， 从喷口喷出的气流即为 旋转射流。在通风实验室搭建一套吸气系统和吹气 系统组成的试验装置， 整个试验系统包括新型组合吸 口、 排风管、 送风管、 调节阀门、 排风机、 送风机、 毕托 管和倾斜式微压计， 如图 2 所示。抽吸及压送流量通 过装于风管的风量调节阀调节， 从倾斜式微压计可以 读出压力从而计算出风速及风量 ［9］。 图 1试验用新型组合吸口模型 图 2实验室试验系统 本次试验的目的是考察旋转射流作用下吸气流 动临界送风速度、 流场特性及其影响因素。为了考察 射流轴向倾角和喷口宽度对临界送风速度和吸气流 场的影响， 保持吸口直径 a 10 cm、 射流口外径 e 20 cm不变， 共制作出三个射流轴向倾角 60、 70、 80 和五个喷口宽度 4， 6， 8， 10， 12 mm 所组合的 15 个新型组合吸口模型。 2试验结果 2. 1临界送风速度 对于一定规格的组合吸口， 在一定排风量情况 下， 如果射流出口速度很大， 射流在吸气流的作用下 不会产生弯曲， 当射流出口速度不断降低到某一速度 时， 若再降低， 在吸气流的作用下射流将会产生弯曲 并被吸入吸口， 这时的射流出口速度定义为该排风量 所对应的临界送风速度 VK［10］。 本试验中， 临界送风速度是通过流体显示技术， 采用发烟法， 由观察射流的弯曲程度来判定的。将送 风管调节阀门处于全开状态， 于送风机的吸口处发 烟。白色烟雾伴随着送风气流从喷口射出， 烟雾则先 是向四周扩散， 缓慢调节送风阀门减小送风量， 并观 测射流烟雾的形态， 当烟雾不再向四周扩散， 而是开 始向吸气口弯曲时， 这时的状态就是此吸气条件下旋 转射流的临界状态， 此时流出喷口的气流速度即为临 界送风速度。 为了考察临界送风速度影响因素， 在试验过程 中， 选取 15 个组合吸口模型， 并对其在四个排风量 0. 06， 0. 08， 0. 095， 0. 11 m3/s 相互组合共 60 种工 况下的临界送风进行测量， 试验结果见图 3 和图 4。 图 3VK与 b0和 Qx的关系 从图 3 ～ 图 4 可看出， 临界送风速度 VK与排风 量 Qx、 射流角 θ 和喷射口宽度 b 等因素有关。从图 4 可以看出， 在其他条件相同的情况下， 临界送风速度 95 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 图 4VK与 b0和 θ 的关系 随排风量的增大而增高。当排风量一定时， 临界送风 速度随喷口宽度的增加而降低。从图 5 可以看出， 在 排风量和喷口宽度相同的前提下， 随着射流角的增 大， 临界射流速度降低。 在相同的排风量和射流角情况下， 不同的喷口宽 度所对应的临界送风量不一定相等。由此会提出这 样一个问题， 在排风量和射流角相同时， 对于不同的 喷口宽度， 临界送风量是如何变化的也就是说， 就 临界送风量考虑， 喷口宽度是大一些好， 还是小一点 好是否存在一个临界送风量为最小的所谓最佳喷 口宽度为了便于分析， 本文取送风量与排风量之比 I 简称吹吸比 及喷口宽度 b 做变元 ［4］。通过对上述 测得的各组合吸口在不同排风量情况下临界送风量 进行整理， 得到两个射流角及三个排风量组合情况 下， 临界吹吸比随喷口宽度变化曲线， 如图 5 所示。 从图 5a 和图 5b 中两组曲线可以发现， 在射流角 和喷口宽度一定时， 临界吹吸比随排风量的增大而减 小; 在射流角和排风量相同时， 临界吹吸比首先随喷 口宽度的增加而下降， 下降到某一值后， 又随喷口宽 图 5临界吹吸比与喷口宽度的关系曲线 度的增加而增大。对比不同排风量和射流角下最小 临界吹吸 比 所对 应 的喷 口 宽 度， 发 现 其 始 终 位 于 8 mm附近， 即最佳喷口宽度为8 mm。从以上分析可 以得出， 对于一定规格的组合吸口， 存在一个临界送 风量为最小的所谓最佳喷口宽度， 而且此最佳喷口宽 度与排风量和射流角无关。为了考察其他射流角对 应的组合吸口是否具有相同的最佳喷口宽度， 对射流 角 θ 60对应的五个喷口宽度吸口进行了验证试 验， 由试验数据得知， 最佳喷口宽度仍在8 mm左右。 试验得出所用组合吸口的最佳喷口宽度为8 mm， 在 实际设计吸口时可以根据适当的相似准则， 推算出喷 口的最佳宽度。 2. 2吸气流场特性 为了考察旋转射流作用下吸气流场特性， 试验中 选取了一喷口宽度 b 8 mm， 射流角 θ 80的组合吸 口进行相关测试， 试验中保持排风量 Qx 0. 095 m3/s 不变， 实验结果见图 6 ～ 图 9。 图 6 为不同的吹吸比情况下， 吸口下方轴线吸气 06 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 图 6不同吹吸比下， 轴线吸气速度衰减曲线 图 7临界吹吸比下， Z 0. 1 m切面速度矢量图 速度衰减曲线。其中 I 0， 即送风量为零， 为普通单 吸气抽吸， I 0. 53 为该吸口在该排风量下的临界吹 吸比。从衰减曲线可以看出， 在相同排风量情况下， 旋转射流作用下吸气流动吸口下方轴线速度衰减明 显较普通单吸气流动缓慢。分析其原因， 是由于射流 的屏蔽作用， 阻挡了周围和后方的新鲜空气进入抽吸 图 8不同吹吸比下， 吸气流动对烟气控制情况 区的缘故， 从而压缩了抽吸区的径向尺寸， 使轴向吸 气范围大大增加。从图 6 中还可以看出， 随着吹吸比 的不断增大， 轴线吸气速度衰减越趋于缓慢， 证明增 加吹吸比即提高送风量对减缓轴线吸气速度衰减是 有积极作用的 ［11］。 图 8 为不同的吹吸比下吸气流动对烟气的控制 情况。从图 8a 和图 8b 可以看出， 当送风为零和吹吸 比较小时， 烟气得不到有效的控制。随着吹吸比的增 加， 到临界吹吸比时， 烟气基本得到有效控制， 继续增 加送风量， 烟气完全得到控制。这说明， 为了保证有 效控制有害物， 在临界送风量的基础上适当增加风量 是很有必要的， 但我们也应该认识到， 送风量不能盲 目的增加。一方面， 当送风量增加到一定时， 再增加 送风量对轴线吸气速度和控制有害物都不会有很明 显的变化。另一方面， 射流量过大， 将使射流的出射 速度增高， 对于环形送风口送出的旋转射流， 需要更 大的风机压力来克服喷口的局部阻力， 这样将增加能 耗， 也与应用射流的初始目的相悖。因此， 只要射流 的速度能够保证产生屏蔽风幕， 并在此基础上适量的 增加射流速度就可达到远距离控制污染物的效果。 从图 8c 和图 8d 中还可以看出， 旋转射流作用下吸气 流场具有十分强劲的抽吸能力， 在中部负压和汇流的 作用下， 烟气不能向外扩散， 汇集于轴线附近并排走。 而同排风量下的单吸气抽吸， 由于排风量的限制以及 不能形成“龙卷风” 效应而不能对有害物进行有效控 制。上述现象也说明， 在相同排风量情况下， 旋转射 流作用下吸气流场的抽吸能力明显大于普通单吸气 抽吸。 在临界吹吸比下， 于吸口下方 Z 0. 1 m切面布 置若干测点， 用热球风速仪测量吸口下方每个测点的 16 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 X 和 Y 方向速度， 根据各测点坐标及速度分量， 借助 Matlab 软件将所有测点速度矢量绘制成图 7［12］。从 速度矢量图可以看出， 由于射流的旋转作用， 在吸口 下方横切面上形成稳定旋风， 这种旋风使得吸口下方 轴线附近产生一负压中心， 气流汇于吸口下方中心。 从图 9 两种吸气流动情况下， 吸口下方切面压力场可 以看出， 旋转射流作用下吸气流场由于产生龙卷风效 应使得吸口下方轴线附近形成高负压中心， 吸口下方 在同一切面内压力是沿径向增加的， 而相同排风量下 的单吸气流动轴线附近负压明显低于前者， 且压力沿 径向增加不明显， 使其对有害物的控制不如前者。 图 9两种吸气流动， 吸口下方 Z 0. 1 m切面压力分布 3结论 通过对旋转射流作用下吸气流动进行相关的试 验研究， 得出以下主要结论 1 旋转射流作用下吸气流动存在一个临界送风 速度， 且其与排风量、 喷口宽度及射流轴向倾角等因 素有关。 2 在其他条件相同时， 临界送风速度随排风量 的增大而增高， 随喷口宽度增加而降低， 随喷射轴向 倾角的增大而下降。 3 对于本试验所使用的组合吸口， 存在最佳喷 口宽度 b 8 mm。在实际设计组合吸口时可以根据 适当的相似准则， 推算出喷口的最佳宽度。 4 旋转射流的屏蔽效应减少了吸口吸气范围， 使得吸气轴线速度衰减缓慢， 而且提高送风速度有利 于减缓轴线速度衰减。旋转射流作用下吸气流场轴 线速度衰减缓慢的特性可以实现远距离捕集有害物 及以较小的排风量排放有害物。 5 旋转射流屏蔽作用下的抽吸流场具有中部压 力较低和提高抽吸能力的作用。 参考文献 ［1］王汉青． 通风工程［M］． 北京机械工业出版社，2005． ［2］孙一坚，杨勇健． 吹吸式排风罩的二维紊流数值解及特性分析 ［J］． 暖通空调，1991 1 11- 15． ［3］董立国，林豹，马文通． 环形射流作用下吸气流动的研究 ［J］． 暖通空调，2003 3 27- 29． ［4］林豹，于广荣． 射流作用下吸气流动特性研究［J］． 通风除尘， 1990 3 1- 7． ［5］林爱辉． 旋转风幕排风罩数值模拟与实验研究［D］． 湘潭湖 南科技大学，2007． ［6］张景松． 人造龙卷风形成机理［J］． 煤炭学报，1996 4 4- 6． ［7］张景松，周世宁． 人造龙卷风控制抽吸［J］． 中国矿业大学学 报，1996 1 1- 5． ［8］刘荣华，李夕兵． 一种新型旋风气幕式排风罩数值模拟研究 ［J］． 环境工程，2009， 27 4 68- 72． ［9］周谟仁． 流体力学泵与风机［M］． 北京中国建筑工业出版社， 1987． ［ 10］王鹏飞． 旋转气幕式排风罩数值模拟及实验研究［D］． 湘潭 湖南科技大学，2009． ［ 11］曹国海． 旋转扇形射流作用下吸气流动的研究［D］． 沈阳沈 阳建筑工程学院，2004． ［ 12］陈杰． MatLab 宝典［M］． 北京电子工业出版社，2007． 作者通信处王鹏飞410083湖南省长沙市中南大学资源与安全 工程学院 E- mailxiaodiwangpengfei 163． com 2010 － 09 － 20 收稿 26 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期