龔曙光 ， 徐 珊 ， 劉黎明 ， 宋青卓 ， 龔京忠 ， 賀運(yùn)初

（1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.湖南九九智能環(huán)保股份有限公司，湖南 長沙 410217）

0 引言

粉塵污染是大氣污染的主要污染源之一，主要產(chǎn)生于固體物的粉碎、研磨、攪拌、裝卸以及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，粉塵污染已嚴(yán)重威脅人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)。近年來，遠(yuǎn)程噴霧技術(shù)已成為粉塵防治的主要措施之一[1-2]。

遠(yuǎn)程噴霧技術(shù)的主要設(shè)備即噴霧機(jī)，就是利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流，將噴嘴噴出的大量霧滴拋射到粉塵產(chǎn)生的區(qū)域，使霧滴與粉塵相結(jié)合，從而減少粉塵擴(kuò)散，具有覆蓋范圍廣、成本低、降塵效果好等優(yōu)點(diǎn)[2]。噴霧機(jī)已在建筑工地、露天礦山、城市道路等的揚(yáng)塵治理中得到了應(yīng)用。

學(xué)者們已針對噴霧機(jī)開展了相關(guān)的研究，如歐亞明等[3]利用試驗(yàn)對風(fēng)送式噴霧機(jī)的射程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)性能對噴霧機(jī)射程影響很大；陳波等[4]基于多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化，探討了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對射程的影響，并得到了影響射程和效率的主次因素關(guān)系；宋淑然等[5]利用數(shù)值模擬了風(fēng)筒內(nèi)導(dǎo)葉數(shù)、整流體形狀對風(fēng)筒內(nèi)部流動的影響；陳海生等[6]利用試驗(yàn)和仿真研究了輪轂間隙對風(fēng)機(jī)性能的影響規(guī)律；王文才等[7]利用數(shù)值模擬了集流器結(jié)構(gòu)參數(shù)與局部阻力之間的關(guān)系。

盡管對風(fēng)機(jī)及其結(jié)構(gòu)的研究較多，但噴霧機(jī)是由風(fēng)機(jī)和噴霧系統(tǒng)耦合而成，風(fēng)筒內(nèi)的流體由空氣和霧滴組成，其當(dāng)量質(zhì)量要大于空氣，因此單純對風(fēng)機(jī)及其結(jié)構(gòu)的研究結(jié)論是否同樣適用于噴霧機(jī)還有待于進(jìn)一步的探討。而對噴霧機(jī)的研究以霧滴運(yùn)動規(guī)律為主，盡管也有學(xué)者對噴霧機(jī)的風(fēng)筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究，但其研究內(nèi)容與噴霧機(jī)的工程應(yīng)用還有一定的差距。

因此，課題組以某企業(yè)生產(chǎn)的風(fēng)送式噴霧機(jī)為例，采用數(shù)值仿真方法，探討其風(fēng)筒結(jié)構(gòu)如集流器、流線罩、徑向間隙、收縮筒等對噴霧機(jī)效率的影響，擬為風(fēng)送式噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供參考。

1 噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)及其模型

風(fēng)送式噴霧機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由集流器、流線罩、整流體、葉輪、電機(jī)、導(dǎo)葉和收縮筒等組成。噴嘴布置及其結(jié)構(gòu)參數(shù)定義如圖2所示。

圖1 風(fēng)送式噴霧機(jī)的示意圖

圖2 噴嘴布置的示意圖

噴霧機(jī)的性能參數(shù)如表1所示。為了探討風(fēng)筒內(nèi)結(jié)構(gòu)對噴霧機(jī)效率的影響，在仿真分析時，將噴霧機(jī)定義為內(nèi)流場，噴霧射程范圍定義為外流場，且外流場的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 噴霧機(jī)的性能參數(shù)

圖3 外流場的范圍參數(shù)

在網(wǎng)格劃分中，內(nèi)流場采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，外流場采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在經(jīng)過局部網(wǎng)格細(xì)化、網(wǎng)格質(zhì)量與網(wǎng)格無關(guān)性檢測后，確定內(nèi)流場的網(wǎng)格數(shù)為128.1萬、外流場的網(wǎng)格數(shù)為359.2萬。其中，內(nèi)、外流場的網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 噴霧機(jī)的網(wǎng)格模型

2 仿真結(jié)果分析

通過仿真計(jì)算，得到內(nèi)流場中的流場跡線，如圖5所示。

圖5 內(nèi)流場的跡線圖

從圖5可以看出，跡線在入口處較為均勻和平穩(wěn)，當(dāng)經(jīng)過葉輪1后，其速度得到大幅提升，且繞風(fēng)筒旋轉(zhuǎn)流動，再經(jīng)過葉輪2后，進(jìn)入到后導(dǎo)葉，跡線由旋轉(zhuǎn)流動轉(zhuǎn)化為軸向流動，這說明后導(dǎo)葉起到了導(dǎo)流作用，但在內(nèi)流場中也存在有旋渦與回流，如圖6所示，旋渦所引起的能量損失將影響噴霧機(jī)的效率。

外流場中的速度分布云圖如圖7所示，出口軸線上氣流速度與距離的關(guān)系如圖8所示。

圖7 有霧滴的氣流速度云圖

圖8 外流場的速度分布

從圖7可以看出，霧滴在初始階段隨氣流運(yùn)動，并且隨著距離的增大，其速度逐漸減少，當(dāng)距離接近40 m時，由于霧滴自重作用，霧滴開始沉降，從而使得氣流末端的速度分布形態(tài)向地面彎曲，同時霧滴在氣流作用下會產(chǎn)生蒸發(fā)，使得其末端的氣流也向上擴(kuò)散。因此，對于含有霧滴的氣流，其分布形態(tài)與自由氣體射流形態(tài)不相符。

由圖8可知，有霧滴與無霧滴的氣流速度在出口軸線上的分布規(guī)律相類似，但氣流速度達(dá)到2 m/s時，兩者的距離不相等，即有霧滴的距離為51.5 m，而無霧滴的距離為62.2 m，射程距離縮短了17.2%，這是因?yàn)橛徐F滴氣流的當(dāng)量質(zhì)量要大，在風(fēng)機(jī)功率相同的情況下，其消耗的能量要多，從而使得其距離要短。同時，氣流的最大速度不在出口處，這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)出口的速度不均勻，隨著離出口的距離增大，氣流速度混合均勻后才達(dá)到最大值，隨后再快速下降，達(dá)到一定距離后，氣流速度的衰減梯度才逐漸減小。

3 風(fēng)筒內(nèi)結(jié)構(gòu)的影響

3.1 集流器

集流器的使用是為了改善氣流入口通道，課題組選用了圓弧和圓錐集流器，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 集流器結(jié)構(gòu)

通過仿真分析得到集流器結(jié)構(gòu)及其尺寸與風(fēng)機(jī)效率之間的關(guān)系，如圖10所示。

圖10 集流器結(jié)構(gòu)及尺寸與風(fēng)機(jī)效率的關(guān)系

由圖10可知，集流器的使用對風(fēng)機(jī)效率影響很大，沒有使用集流器時，風(fēng)機(jī)的效率要減少近10%，而使用圓弧形集流器的風(fēng)機(jī)效率要大于使用圓錐形的。且隨著圓弧半徑的增大或集流器長度的增長，風(fēng)機(jī)效率均有所提升，在達(dá)到0.25D時，其提升速度變緩，這意味著集流器不能無限增長，其圓弧半徑也不能無限增大，兩者需與入口直徑相匹配。

3.2 流線罩

在風(fēng)機(jī)入口安裝流線罩可以改善入口流通，對氣流起到加速作用。課題組選用的流線罩結(jié)構(gòu)及其參數(shù)如圖11所示。其中，L為流線旋成體的長度。

圖11 流線罩結(jié)構(gòu)

使用不同流線罩后，風(fēng)機(jī)的效率如圖12所示?？梢钥吹?，流線罩的使用可以提高風(fēng)機(jī)效率4%~8%，同時對于流線形流線罩來說，隨著L的增大，風(fēng)機(jī)效率逐步提升，每增長0.1L，風(fēng)機(jī)效率提升1.5%。

圖12 流線罩形態(tài)及尺寸與風(fēng)機(jī)效率的關(guān)系

3.3 整流體和收縮筒

在風(fēng)機(jī)出口需設(shè)置一段由整流體和收縮筒組成的出口通道，以利于氣流的均勻和導(dǎo)向，其結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖13所示。其中，整流體選取錐形和流線形，整流體的流線形結(jié)構(gòu)與圖11中流線罩剛好構(gòu)成一個整體，即用于整流體的流線形長度為0.6L。

圖13 整流體與收縮筒的結(jié)構(gòu)

設(shè)置整流體與收縮筒的長度相同，而收縮筒的尺寸在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時已確定。不同整流體結(jié)構(gòu)及其尺寸對風(fēng)機(jī)效率的影響，如圖14所示。

圖14 整流體結(jié)構(gòu)及尺寸與風(fēng)機(jī)效率的關(guān)系

由圖14可知，與錐形結(jié)構(gòu)相比，流線形整流體的使用可提升風(fēng)機(jī)效率約為1%，同時隨著收縮筒長度的增大，風(fēng)機(jī)效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但其變化的幅度不大。這說明收縮筒的長度不能太長，當(dāng)收縮筒增長時，其收縮角度會減小，且氣流沿筒表面的氣流損失也會增大。

3.4 間隙

本課題所指的間隙包括葉片頂端與筒內(nèi)表面之間的徑向間隙和兩相鄰葉片平均半徑邊緣之間的軸向間隙，如圖15所示。

圖15 間隙的定義

取軸向間隙為0.25b~1.5b（b為葉輪葉根處的弦長），其對風(fēng)機(jī)效率的影響如圖16所示?？梢钥吹捷S向間隙的大小與流動損失不成正比，在軸向間隙較小時也存在著較大的流動損失，而隨軸向間隙的增大，風(fēng)機(jī)效率也逐漸增大，但當(dāng)軸向間隙大于0.7b時，風(fēng)機(jī)效率出現(xiàn)直線下降趨勢，這主要是氣流在筒內(nèi)表面的沿程損失增大所致。取徑向間隙為5 mm~25 mm，通過仿真計(jì)算得到的風(fēng)機(jī)效率如圖17所示?？梢钥吹斤L(fēng)機(jī)效率隨徑向間隙的增大而下降，且徑向間隙每增大1%，則風(fēng)機(jī)效率下降約2%。這意味著在設(shè)計(jì)過程中，徑向間隙要盡可能地減小，即只要保證葉頂與筒內(nèi)壁不發(fā)生干涉即可。

圖16 軸向間隙的影響

圖17 徑向間隙的影響

4 結(jié)論

1）在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其功率相同的條件下，有霧滴氣流的射程縮短了17.2%，且其末端的形態(tài)既向地面彎曲，同時也向上端擴(kuò)散，這說明霧滴在末端出現(xiàn)了沉降和蒸發(fā)。

2）集流器的存在可顯著提高風(fēng)機(jī)的效率，其長度建議控制在0.25D左右，且使用圓弧形集流器的效果更佳。

3）使用流線形流線罩能夠提高風(fēng)機(jī)效率4%~8%，但整流體與收縮筒的結(jié)構(gòu)尺寸變化對改善風(fēng)機(jī)效率不明顯。

4）不同間隙的尺寸會影響到風(fēng)機(jī)的效率，軸向間隙建議為0.7b，而徑向間隙越小越好，即在確保不發(fā)生干涉的前提下，盡可能地減小徑向間隙。

5）噴霧機(jī)內(nèi)流場后導(dǎo)葉前緣存在有氣流旋渦，它所引起的能量損失也會降低風(fēng)機(jī)的使用效率，如何消除氣流旋渦將在后期研究中進(jìn)行探討。