空氣霧化噴嘴霧化機理及影響因素實驗分析

蔣仲安，許峰，王亞朋，陳舉師

(北京科技大學土木與資源工程學院，北京，100083)

井下常采用噴霧降塵技術來解決粉塵的污染和擴散[1-2]。水在壓力的作用下經過噴嘴霧化并分散到空間，捕捉空氣中游離的粉塵顆粒，噴嘴霧化的霧滴粒徑越接近粉塵顆粒粒徑，降塵效果越佳[3]。井下常用的降塵噴嘴分為水噴嘴和空氣霧化噴嘴[4-5]。水噴嘴的霧化粒徑在100～200 μm 之間，且耗水量大，對水壓要求高，對小顆粒粉塵的效率不佳[6-7]，空氣霧化噴嘴霧化粒徑可達30～50 μm，對小粒徑粉塵降塵效果顯著[8-9]?？諝忪F化噴嘴最開始的研究集中于內燃機噴油燃燒方面[10-11]。由于其霧化效果好，耗水量小，對水壓要求低特點，空氣霧化噴嘴逐漸應用到降塵領域[12-13]。章明川等[14]從氣液兩相流角度和油膜破碎理論給出了Y型氣力噴嘴霧化模型。曹建明等[15]給出了4種不同幾何結構的內混式空氣霧化噴嘴在不同氣壓和水流量下的霧滴索特平均徑(SMD)和霧化錐角變化規律。王鵬飛等[16]通過自主設計的噴霧實驗平臺得出了氣水噴嘴流量特性和霧場霧滴粒徑分布規律。蔣仲安等[17]通過實驗得出了氣水噴嘴的流量特性和霧滴粒徑與降塵效率之間的關系。對于空氣霧化噴嘴的流量特性和霧滴粒徑分布的研究較多[18]，對空氣霧化噴嘴的霧化機理的研究較少[19]，本文作者通過分析一次霧化和二次多級霧化理論得出影響噴嘴霧化特性的主要因素，利用實驗分析水壓和氣壓在一次霧化過程和二次多級霧化過程中噴嘴的流量特性和霧場霧滴粒徑變化規律。

1 噴嘴霧化機理及實驗基礎

1.1 空氣霧化噴嘴結構

空氣霧化噴嘴的液體帽和空氣帽組成了噴霧裝置。液體帽上有進氣孔和進液孔，孔徑影響霧滴粒徑?？諝饷辈粌H影響霧滴粒徑還決定了噴霧液束的形狀，可分為內混式和外混式。本文選用的空氣霧化噴嘴的液體帽和空氣帽如圖1所示。液體帽進液孔為1.5 mm，進氣孔為環形分布的三孔，孔徑為2.0 mm，進氣孔與進液孔的夾角為30°?？諝饷睘閮然焓娇烧{廣角，帽頂開有六孔。

圖1 噴霧裝置結構圖Fig.1 Geometry structure of spray device

1.2 噴嘴霧化機理

1.2.1 一次霧化機理

氣力式噴嘴的霧化過程基本相似，可分為一次霧化和二次霧化[20]。一次霧化是指液體破碎成液滴的過程，發生在液-氣的交界面上，液體受到氣體的擾動產生不穩定的波動。以液束軸向為z軸，徑向為r軸建立坐標系，如圖2所示。其中，λ為波長；a為液柱半徑。

根據表面波線性不穩定分析有：

式中：A為波的振幅，m；A0為初振幅，m；ω為波的角頻率，Hz；t為時間，s。

角頻率ω表達式為

圖2 液體表面波示意圖Fig.2 Schematic diagram of liquid surface wave

式中：k為波數，λ為波長，m；c為波速，ρg和ρl分別為空氣和液體的密度，kg/m3；μl為液體的黏度，Pa·s；σl為液體的表面張力，N/m；β為Jeffrey系數，取0.3；ug和ul分別為空氣和液體的速度，m/s。

由斷面與流量的關系可知：

式中：Qg為氣流量，m3/s；Sg為進氣孔斷面積，m2；Ql為水流量，m3/s；Sl為液體出口孔截面積，m2。

整理后得：

定義臨界波長λc：

空氣的產生的小擾動波的波長λ小于λc時，ω為負值，波幅迅速衰減；而當λ>λc時，ω為正值，波幅A迅速增大形成細長的波峰，在空氣剪切的作用下，波峰斷裂，在液體表面張力的作用下形成液滴，液滴的粒徑D與波長λ存在以下關系。

式中：C為系數，由實驗確定。

一次霧化受噴嘴的結構、液體和氣體的流量、氣體的密度、液體的表面張力、黏性和密度的影響。一次霧化需要克服液體的表面張力和黏性力。噴嘴的氣流量遠大于液體流量，在孔徑相差不大的情況下，氣體流速大于液體的流速，氣體流速的越大，臨界波長λc越小，霧化越容易發生，霧化后液滴的粒徑越小。

1.2.2 二次霧化機理

一次霧化形成的液滴與周圍空氣存在速度差，是否繼續破碎成更小的液滴取決于韋伯數We，若We大于臨界Wec則液滴破碎，形成二次霧化。二次霧化可能發生多級破碎，每級液滴是否破碎仍取決于We，因此，引入表征黏性效應的昂色格數On和液滴完全破碎的時間T。

式中：Di為某初始液滴的直徑，m；ti為液滴Di的破碎時間，s；γ為空氣與液體的密度之比，為液滴與空氣的相對速度，Δui=ui-ug，m/s。

臨界韋伯數Wec和完全破碎時間T計算公式如下：

若液滴發生了一級破碎，則滿足條件We>Wec，即：

假設液滴破碎成2部分，則破碎后的液滴直徑Di+1=Di/1.26，體積Vi+1=Vi/2。發生一級破碎后，液滴Di+1的速度ui+1計算公式如下：

式中：ui為一次霧化后生成的液滴Di的初速，m/s；vg為空氣運動黏度，m2/s。

由式(14)和(15)求得一級破碎后液滴Di+1和ui+1作為下次破碎的初值，若發生多級破碎則需判斷每次的We是否大于該條件下的Wec，直至不滿足條件，二次霧化過程結束，霧滴穩定。

由以上分析可知，霧化主要取決于噴嘴的結構、氣液體的物理特性、氣液體的流量以及液滴與周圍空氣的速度差。對于空氣輔助霧化噴嘴來說，工作的介質分別為空氣和水，其物理特性隨工作條件的變化改變不大，影響其霧化特性主要是噴嘴結構和氣液流量特性。噴嘴的流量特性與水壓和氣壓有關，因此，本文將分析不同水壓和氣壓下的流量特性對霧化效果的影響。

1.3 噴嘴霧化實驗裝置

北京科技大學防塵實驗室的噴嘴霧化實驗裝置分為氣路、水路和霧滴測量裝置3 部分，如圖3所示。氣路的氣源由空壓機提供，氣壓范圍為0.1～0.7 MPa，通過空氣調壓閥調節氣路壓力，壓力在0～1.0 MPa 內可調，調節精度為0.01 MPa，轉子流量計顯示氣體流量，閥門控制氣路的通斷。水路的水壓由QL-380A 型清洗機提供，壓力在0～8 MPa 范圍內可變，流量計顯示水的流量。霧滴測量裝置為JL-3000型激光粒度儀，測量范圍為0.5～1 300 μm。

圖3 霧化實驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of atomization experiment device

2 噴嘴流量特性分析

2.1 水流量變化規律

氣-水噴霧由氣路和水路2 部分構成，氣路和水路相互影響，表現為水流量不僅與水路的水壓有關，還與氣路的氣壓有關。實驗分別記錄不同水壓和氣壓下氣水流量變化情況。水流量隨水壓和氣壓的變化如圖4所示。由圖4可知：1)固定氣壓不變，水壓由0.3 MPa 增大到0.8 MPa，水流量由小增大。當水壓為0.3 MPa時，水流量最小，當水壓為0.8 MPa時，水流量最大。2)氣壓對水流有阻礙作用，增加氣壓，水流量減小。當氣壓為0 MPa 時，此時各水壓下水流量最大；當水壓為0.3 MPa時，氣壓由0 MPa變為0.6 MPa時，水流量由1.46 L/min 減小到0.45 L/min。3) 當水壓小于0.6 MPa 時，隨著水壓的增大，每增加0.1 MPa 的氣壓，水流量的減少量減小。當水壓為0.3 MPa 時，每增大0.1 MPa 的氣壓，水流量減小0.17 L/min。當水壓大于0.6 MPa時，水流量的減少量隨水壓的增大保持穩定。當水壓為0.8 MPa時，水流量減小0.095 L/min，如圖4(b)所示。

圖4 水流量與壓力的關系Fig.4 Relationship between water flow and pressure

2.2 氣流量變化規律

氣流量隨氣壓和水壓變化如圖5所示。由圖5可知：1) 在不同水壓下，氣壓由0.2 MPa 增大到0.6 MPa，氣流量呈線性增大。當氣壓為0.2 MPa時，氣流量最??；當氣壓為0.6 MPa時，氣流量最大。2)水壓對氣流有阻礙作用，增加水壓，氣流量減小。隨著水壓的增大，氣流量減少量增大。當水壓為0 MPa 時，氣流量最大。當水壓為0.8 MPa和氣壓為0.2 MPa時，氣流量由水壓0 MPa時的110 L/min 減小到61.6 L/min。3) 隨著氣壓的增大，水壓對氣流量的影響逐漸減小。氣壓0.4 MPa為氣流量減少量變化的分界點，當氣壓小于0.4 MPa時，每增加0.1 MPa的水壓，氣流量減少量減小緩慢。當氣壓大于0.4 MPa時，氣流量減少量減小加劇，如圖5(b)所示。

圖5 氣流量與壓力的關系Fig.5 Relationship between air flow and pressure

壓差存在，水和空氣才會流動。當僅有水流入空氣帽混合腔內，水路的壓差為水泵提供的壓力與空氣帽內氣壓的差值。差值越大，水流量越大，當混合腔內注入一定壓力的空氣，相當于降低了壓差，水流量隨之減小。氣流量的變化與之相同。

2.3 氣液流量比變化規律

氣液流量比(Qg/QL)是指氣流量與水流量的比值，該比值反映霧化單位液體所需氣體的量，間接反映出霧化單位液體的氣體所具有的能量，可以用來描述空氣霧化噴嘴的耗水量、耗氣量和霧化效果。液氣壓力比(pl/pg)用來反映供水壓力和供氣壓力的關系。由圖6可知：液氣壓力比與氣液流量比滿足冪函數關系，擬合后相關性R2為0.980 4，擬合后得函數關系式為

圖6 氣液流量比與液氣壓力比的關系Fig.6 Relationship betweenQg/Ql andpl/pg

由函數關系可知：當液氣壓力比在1.0 以內，氣液流量比隨著液氣壓力比的增大迅速降低；當液氣壓力比為1.0 時，氣液流量比為115.56，表明氣體流量近似是水流量的115.56 倍；當液氣壓力比大于1.0時，氣液流量比隨著液氣壓力比的增大緩慢減小。說明氣壓的變化對噴嘴的流量影響更顯著。

3 噴嘴霧化特性分析

3.1 霧場霧滴粒徑分布

圖7所示為水壓為0.5 MPa下，氣壓由0.2 MPa變化到0.6 MPa過程中，霧場軸線上距離不同位置粒徑分布。霧滴從噴嘴噴射出來時，粒徑大，隨著霧滴運動距離的增加，粒徑緩慢減小，等霧滴運動到50 cm后，粒徑迅速增大。

當噴射的距離為30～50 cm 時，隨著距離的增大，氣液兩相間動量交換減弱，一次霧化逐漸轉變為二次霧化，一次霧化的粒徑大，霧滴數量少，二次霧化粒徑小，霧滴數量多。當噴射距離大于50 cm后，隨著距離的增加，霧滴與空氣的速度逐漸減小，二次霧化停止，由于霧滴在不斷的運動，較小的霧滴碰撞后融合成大的霧滴，但由于自身與周圍空氣速度差不滿足次破碎的條件，霧滴無法破碎，繼續增大。

圖7 霧滴粒徑隨噴射距離變化關系Fig.7 Relationship between droplet size and jetting distance

3.2 水壓對霧滴粒徑的影響

固定氣壓為0.4 MPa，霧場軸線70 cm 處霧滴粒徑隨水壓的變化見表1。隨著水壓的增大，霧滴粒徑呈現出“增大—減小”變化規律。當水壓在0.3～0.6 MPa 范圍內，霧滴粒徑隨著水壓的增大而增大，水壓每增大0.1 MPa，霧滴粒徑D50平均增大0.774 μm；當水壓大于0.6 MPa 時，霧滴粒徑隨著水壓的增大而減小。霧滴粒徑相對尺寸Δs隨著水壓的增大而減小。

混合腔內氣體霧化單位液體所提供的能量是一定的。由表1和圖6可知：當水壓為0.3～0.6 MPa時，隨著水壓的增大，氣液流量比由153 降到74，混合腔內水流量增加和氣流量減小，氣體所提供的霧化能量減小而液體量卻增加，液體得不到足夠的被破碎成更細霧滴的能量，一次霧化效果隨著水壓的增大減弱。當水壓大于0.6 MPa時，氣液流量比降到57～65，混合腔內一次霧化能力降到最低。

表1 水壓對霧滴粒徑的影響Table 1 Effect of water supply pressure on droplet size

3.3 氣壓對霧滴粒徑的影響

當固定水壓為0.4 MPa 時，氣壓由0.2 MPa 增大到0.6 MPa，霧場軸線70 cm 處霧滴粒徑變化如表2所示。霧滴粒徑隨著氣壓的增大而減小，氣壓每增大0.1 MPa，霧滴D50平均減小1.32 μm。?s隨著氣壓的增大而增大，霧滴粒徑相對尺寸范圍增大。

由表2和圖6可知：隨著氣壓的增大，混合腔內注入氣體的流量增大，液體的流量減小，氣體流速增大，液體流速減小，氣液兩相的流速差增大，一次霧化形成的霧滴與空氣的速度差增大，二次霧化加強，液滴破碎的更細，粒徑越小。

3.4 氣液壓力比對霧滴粒徑的影響

霧場軸線70 cm 處霧滴粒徑D50隨氣液壓力比的變化規律如圖8所示。當氣壓越大，水壓越小時，氣液壓力比越小，由圖6可知：氣液流量比越大，氣液兩相的速度差越大，二次霧化效果越好。當氣壓增大到0.6 MPa時，腔內水流量過少，霧化后的霧量少，霧滴粒徑小，蒸發快，且氣體利用率降低。由表1和表2可知：最佳的pl/pg應為0.8～1.0，由式(16)可知對應的氣液流量比為115～146。

表2 氣壓對霧滴粒徑的影響Table 2 Effect of air supply pressure on droplet size

圖8 霧滴粒徑D50與pl/pg的關系Fig.8 Relationship between droplet particle sizeD50 andpl/pg

擬合實驗數據得到霧滴粒徑與液氣壓力比之間的函數關系得：

擬合的函數關系的相關性R2為0.942 5。由函數關系式可知：當液氣壓力比接近0時，霧滴粒徑D50越接近最小值18.23 μm，但永遠無法達到18.23 μm。這驗證了空氣霧化噴嘴霧化的霧滴粒徑存在理論上的最小值，但現場應用無法達到。

4 結論

1)由一次霧化和二次多級霧化理論可知，噴嘴霧化特性受噴嘴結構、水流量、氣流量和霧滴與周圍空氣速度差影響。

2)噴嘴流量特性與水壓和氣壓有關。當固定氣壓時，水流量隨水壓的增大而增大，增加氣壓能降低水流量，氣壓增加幅度越大，水流量降低幅度越大。當固定水壓時，氣流量隨氣壓的增大而增大，增加水壓，氣流量減小，水壓增加幅度越大，氣流量減小得越多。氣液流量比(Qg/Ql)與液氣壓力比(pl/pg)存在冪函數關系，指數為-1.09。隨著pl/pg增大，Qg/Ql隨之增大，表明氣壓的變化對噴嘴的流量特性有顯著的影響。

3)隨著噴射距離的增加，由一次霧化向二次霧化轉變直至霧化終止，對應的霧滴粒徑由大變小再變大。隨著水壓的增大，霧滴粒徑呈現出“增大—減小”的變化規律。隨著氣壓的增大，霧滴粒徑減小。

4)最佳的液氣壓力比為0.8～1.0，對應的最佳氣液流量比為115～146。霧場內霧滴粒徑與pl/pg存在三次函數關系，隨著pl/pg的增大，霧滴粒徑呈現出“增大—平緩—增大”的變化規律；霧化的霧滴理論上的最小粒徑為18.23 μm，驗證了噴嘴霧化霧滴最小粒徑的存在，但在實際應用中該最小粒徑無法實現。