近年來(lái)，日益突出的露天礦山粉塵污染問(wèn)題已經(jīng)引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。由于露天礦山等主要產(chǎn)分粉塵作業(yè)場(chǎng)空間較大、采裝作業(yè)設(shè)備體積較大且經(jīng)常移動(dòng)，作業(yè)空間不宜封閉，使得一些常規(guī)措施使用不方便，為防塵工作帶來(lái)了一定的困難。霧炮噴霧降塵技術(shù)是目前O外露天礦山使用的一種新型降塵技術(shù)，O初它主要用于農(nóng)業(yè)和園林市政工程。霧炮噴霧空間流場(chǎng)分布直接影響霧滴分布及霧滴飄移，從而影響適用范圍及O終降塵效率。下面我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，掌握霧炮工作時(shí)的空間流場(chǎng)分布情況，揭示其流場(chǎng)分布及風(fēng)流擴(kuò)散規(guī)律，為提高霧炮工作效率及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
1、工作原理及空間流場(chǎng)分析
1.1工作原理
霧炮如圖所示，其工作原理是采用噴霧重力降塵技術(shù)，通過(guò)高壓將水霧化成與粉塵大小相當(dāng)?shù)念w粒，在風(fēng)機(jī)的作用下，將水霧拋射到塵源上方或周邊進(jìn)行噴霧，塵埃顆粒與水珠顆粒產(chǎn)生接觸而變得濕潤(rùn)，被濕潤(rùn)的粉塵顆粒繼續(xù)吸附其它粉塵顆粒，逐淅凝結(jié)成顆粒團(tuán)，并在重力作用下沉降，從而達(dá)到快速降塵的目的。
1.2空間流場(chǎng)分析
在通常情況下，霧炮均布置在開(kāi)闊的戶(hù)外，它工作時(shí)產(chǎn)生的霧流從出風(fēng)口噴到外部空間，可視為流出到無(wú)限大空間中；噴嘴產(chǎn)生的霧流在風(fēng)流作用下，均勻地?cái)U(kuò)散到整個(gè)空間流場(chǎng)內(nèi)，由于霧流中的霧滴直徑通常小于100um，且噴霧流量也較小，霧滴自身質(zhì)量對(duì)于整個(gè)空間流場(chǎng)分布的影響很小，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，采用單項(xiàng)氣流場(chǎng)可基本反映流場(chǎng)規(guī)律；同時(shí)出口風(fēng)速較大，流動(dòng)呈紊流狀態(tài)，霧炮的風(fēng)流擴(kuò)散，可按照無(wú)限空間中圓斷面紊流射流進(jìn)行分析。射流結(jié)構(gòu)如下圖。
出風(fēng)口的風(fēng)流沿x向流動(dòng)，紊流的橫向脈沖造成射流與周周介質(zhì)之間不斷發(fā)生質(zhì)量與運(yùn)量變換，并不斷代入周?chē)橘|(zhì)，它不僅使邊界擴(kuò)張，而且使射流主體的流速逐漸降低。軸心速度O，從軸心向邊界層邊緣速度逐漸減少至零；距出風(fēng)口越遠(yuǎn)，邊界層厚度越大，而軸心速度則越??；射流整體形成了向周?chē)鷶U(kuò)散的錐形流場(chǎng)。根據(jù)流體力學(xué)理論，圓斷面射流軸心速度可按下式進(jìn)行計(jì)算。
式中：vm為出風(fēng)口軸線上的風(fēng)流速度，m/s；v0為出風(fēng)口處的風(fēng)流初始速度，m/s；a為紊流系數(shù)；x為距出風(fēng)口距離，m；d0為出風(fēng)口直徑，m。
2、試驗(yàn)測(cè)量方法
2.1試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)點(diǎn)布置
試驗(yàn)用霧炮機(jī)由軸流風(fēng)機(jī)、柱形風(fēng)筒、收縮風(fēng)筒及組合噴嘴架4部分組成，如下圖所示。柱形風(fēng)筒和收縮出風(fēng)筒內(nèi)裝有導(dǎo)流葉片和導(dǎo)流器，調(diào)整軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)流，使其盡量沿出風(fēng)口軸向流出，提高風(fēng)流軸向穩(wěn)定性。霧炮出風(fēng)口直徑為320mm。為測(cè)量霧炮工作時(shí)的氣流空間流場(chǎng)分布，設(shè)置出風(fēng)口幾何中心點(diǎn)為原點(diǎn)位置，出風(fēng)口軸線縱向方向?yàn)閤軸，豎直向上為z軸，由此建立三維直角坐標(biāo)系進(jìn)行測(cè)量。
相對(duì)于中心軸而言，霧炮的風(fēng)筒是一個(gè)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，除重力加速度的影響外，可以將速個(gè)風(fēng)筒內(nèi)的流場(chǎng)簡(jiǎn)化為一個(gè)二維問(wèn)題，在無(wú)限空間中，霧炮的工作流場(chǎng)可簡(jiǎn)化成為二維問(wèn)題。所以選擇xy平面進(jìn)行測(cè)量，即可反映整個(gè)空間分布情況。在出風(fēng)口前方，以垂直于軸線縱向每隔500mm和平行于軸向每隔100mm的交點(diǎn)作為風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)。如下圖。
風(fēng)速測(cè)量采用Testo 416葉輪風(fēng)速計(jì)，測(cè)量范圍0.6~40m/s，分辨率0.1m/s；風(fēng)量按照GB/T1236-2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》進(jìn)行測(cè)量。為減小外界自然風(fēng)對(duì)測(cè)量的影響，該試驗(yàn)所有測(cè)量均在室內(nèi)進(jìn)行。
2.2試驗(yàn)方法
2.2.1出風(fēng)口軸向（x向）風(fēng)流的風(fēng)速測(cè)量
如上圖所示，沿出風(fēng)口軸線x方向每隔500mm設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量相應(yīng)位置x軸上的風(fēng)流速度，直到風(fēng)速測(cè)量值小于3m/s為止。每個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)量30s，取其平均值為該點(diǎn)測(cè)量風(fēng)速。通過(guò)電動(dòng)機(jī)變頻器調(diào)節(jié)軸流電動(dòng)機(jī)頻率，改變其供風(fēng)量，按照上述方法分別測(cè)量供風(fēng)量為110、92和83m3/min時(shí)，霧炮軸線（x向）各測(cè)量點(diǎn)的風(fēng)速值。
2.2.2出風(fēng)口橫向風(fēng)流擴(kuò)散測(cè)量
如上圖所示，沿出風(fēng)口軸線x軸方向每隔500mm設(shè)置一組測(cè)點(diǎn)，在出風(fēng)口橫向y軸方向，每隔100mm測(cè)量一次風(fēng)速，直到速測(cè)量小于1m/s為止。每個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)量30s，取其平均值為該測(cè)量風(fēng)速。
3、試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1出風(fēng)口軸向（x向）風(fēng)速衰減規(guī)律
在3種不同霧炮風(fēng)量條件下，霧炮的軸向風(fēng)速測(cè)量結(jié)果如下圖所示。
從上圖可以看出，送風(fēng)量不同時(shí)，出風(fēng)口軸向風(fēng)流衰減規(guī)律基本相同，隨著距出風(fēng)口距離的增加，風(fēng)流速度逐漸衰減。距出風(fēng)口較進(jìn)處衰減較快，距出風(fēng)口較遠(yuǎn)處衰減較慢，具有相似于冪函數(shù)的衰減變化規(guī)律。
4、結(jié)論
(1)試驗(yàn)結(jié)果表明，霧炮工作時(shí)，空間流場(chǎng)擴(kuò)散基本符合無(wú)限空間中圓斷面紊流射流結(jié)構(gòu)特征；因此，在設(shè)備設(shè)計(jì)制造或選用時(shí)可根據(jù)圓斷面射流理論進(jìn)行初步分析。
(2)霧炮出風(fēng)口軸向風(fēng)速呈冪函數(shù)衰減，距出風(fēng)口近處衰減較快，距出風(fēng)口較遠(yuǎn)處衰減較慢；出風(fēng)口送風(fēng)量越大，風(fēng)流速度越大，有效射程越遠(yuǎn)。
(3)霧炮產(chǎn)生的風(fēng)流，在橫向以出風(fēng)口中心線為中心對(duì)稱(chēng)軸呈“∩”形分布，射流邊界隨出風(fēng)口距離增大呈線性擴(kuò)展。距出風(fēng)口越近，橫向衰減速度越快，風(fēng)流影響范圍越窄；隨著距出風(fēng)口距離的增加，橫向衰減速度逐漸減小，風(fēng)流影響范圍逐漸擴(kuò)大。
(4)雖然軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)流經(jīng)導(dǎo)流葉片進(jìn)行導(dǎo)流，但出風(fēng)口流仍存在一定渦旋性，從而導(dǎo)致霧炮出風(fēng)口中心軸線兩側(cè)氣流擴(kuò)散略有微小差異，為提高噴霧降塵效率，應(yīng)加強(qiáng)導(dǎo)流葉片及導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
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