潘宇

摘要：为研究喷嘴组合形式对雾滴粒径的影响，针对不同喷雾压力、喷嘴不同轴向截面，运用实验研究的手段对喷嘴组合形式下不同位置的雾滴粒径进行测定，并与数学模型最佳降尘粒径相比较，优选出最佳喷雾压力。结果表明：随着喷雾压力的增大，雾滴粒径呈减小趋势，喷雾压力为2.5MPa时，雾滴粒径最接近喷雾降尘模型理论数值;随着轴向距离的增大，雾滴粒径出现先减小后增大的趋势，最小粒径点出现在距离喷嘴1000mm位置，喷嘴组合实验研究对喷雾降尘方案的确定有重要的指导意义。

Abstract： In order to study the influence of the nozzle combination form on the droplet size， according to different spray pressures and different axial sections of the nozzle， the experimental research methods were used to determine the droplet size at different positions under the nozzle combination form， and compared with the optimal dustfall particle. In comparison， the optimum spray pressure is preferred. The results show that as the spray pressure increases， the droplet size decreases. When the spray pressure is 2.5MPa， the droplet size is closest to the theoretical value of the spray dust model; as the axial distance increases， the droplet size The particle size tends to decrease first and then increase， and the minimum particle size point appears at a distance of 1000mm from the nozzle. The experimental study of nozzle combination has important guiding significance for the determination of spray dust reduction scheme.

关键词：喷嘴组合;粒径;实验研究

Key words： nozzle combination;particle size;experimental study

中图分类号：[TD444]                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）08-0137-03

0  引言

近年来，我国工业发展迅速，人民生活水平得到提高，煤碳作为我国基础性能源，依然在社会生产中扮演重要的角色，有关学者预测在未来30年，这一现象将不会改变。为了能满足人民对煤炭的需求，众多研究人员与学者在煤炭开采效率上而为之努力。煤炭开采量的增加，机械功率也随之增大，从而使得工作面的环境日益恶劣，粉尘的治理也给井下安全带来严重的隐患。当粉尘浓度过高时，不仅对矿工的身体造成伤害，还伴随着会有爆炸的危险，加速井下设备的损坏[1]，能见度也会大大降低，因此，粉尘的治理成为矿井下安全的重中之重。为了解决这一问题，提高粉尘的沉降效率，本文提出一种喷嘴组合降尘方式，对治理井下作业环境具有重要的意义。近年来，喷嘴组合多用于消防、石油钻井和农业灌溉等重要领域，但在矿山机械中却无人问津，在石油开采过程中，李兆敏[2]用实验的方法测试了流线型组合喷嘴的射流速度场，对组合喷嘴速度场的轴向速度和径向分速度加以分析，并得出流場混合段速度存在的内在规律。徐义[3]发现超高压射流破岩钻进的弊端，采用不同喷嘴组合的方式对喷嘴进行改进，钻井速度大幅度提高，随之，钻井成本也得到进一步的降低，并针对不同喷嘴的组合方式，用数值模拟的方法对井下流场进行分析。刘志超[4]提出喷嘴布置方式对瓦斯在管道内运输过程中的压力降产生不同的影响，并得到进一步的验证，在计算机模拟仿真过程中，得到喷嘴布置方式与压降的关系，喷嘴组合布置与低浓度瓦斯运输有着重要的关系。因此，本文将采用实验研究的手段对双喷嘴组合形式进行研究，深入探究喷嘴组合形式在不同压力变化时雾流场不同等轴向间距雾粒粒径大小、分布范围，对井下环境治理奠定良好的基础。

1  理论分析

1.1 降尘机理

井下除尘形成了以水为主的降尘方式，这一现象将不会改变。喷雾降尘是矿井中使用最广泛的一种降尘方式，这种方法是将微细水滴喷向产尘的空间，使之与随风扩散的尘粒碰撞，达到捕集降尘的目的。常规的喷雾降尘捕尘机理分为以下四种：惯性碰撞捕尘机理，扩散捕尘机理，碰撞与截留综合效应分析等[5]。

较大颗粒的尘粒靠近雾滴时，因其重量较大不受水滴附近空气流线的影响，依靠惯性力与粉尘相互凝结，最后受重力作用慢慢沉降，这就是惯性碰撞。扩散捕集就是尘粒在接近水滴时，在气流的作用下跟随气流运动，在惯性作用下偏离原流线，当两者距离小于各自半径之和时就会因接触而被捕集。当尘粒粒径较小时，在布朗运动下被捕集叫扩散捕集。雾滴与尘粒由于摩擦等带有不同的电荷而相互吸引、凝结而沉降，成为惰性凝结。

1.2 喷雾降尘数学模型

2  实验研究

2.1 实验系统图

组合喷嘴雾化流场试验装置示意图如图2所示，本试验系统主要包括三部分，分别是介质输送装置、组合喷雾装置和测量装置，喷嘴选用口径为1mm工业实心锥不锈钢雾化喷嘴。

2.2 实验方案

由喷嘴组合喷雾机理分析可知，喷雾叠加区为喷嘴组合的重点，因此，影响喷雾叠加区雾化效果的主要因素为喷雾压力、喷嘴轴向距离，实验方案也围绕以上两个主要因素展开。

喷嘴水平喷射，喷嘴组合个数为2个，查阅掘进机外喷雾相关资料，两喷嘴之间的距离约为100mm，所以实验过程中喷嘴间距选取100mm;根据掘进工作面实际工况，喷雾压力为1～3MPa，从1MPa开始，每隔0.5MPa为一个实验采样点，因此压力共选5组;为测量不同压力、喷嘴组合形式雾化叠加区喷嘴轴线方向上的粒度变化，喷嘴轴线截面距离在400～1200mm内变化，从400mm开始，每隔200mm设置一个截面，因为雾化叠加区较为规则，取叠加区中心轴线方向使用喷雾激光粒度仪进行采样，测点布置，喷嘴喷射水平方向为x轴正方向;垂直于喷嘴安装面板的竖直平面向外法线方向为y轴正方向，竖直向上方向为z轴正方向，激光粒度仪光斑与喷嘴中心在同一水平面上。该实验共设置5个测点，分别为A（400，0，0）、B（600，0，0）、C（800，0，0）、D（1000，0，0）、E（1200，0，0）。

2.3 实验结果分析

通过实验研究对双喷嘴组合形式雾化粒径进行测量，测量结果如表1所示。

为便于观察，对表1的测量结果绘制成折线图。

2.3.1 喷雾压力与雾滴粒径的关系

喷雾压力是影响喷雾质量的重要指标，为探究喷雾压力与雾化流场中雾粒之间潜在的规律，对激光粒度分析仪测量的数据进行分析，分析同种型号的喷嘴，双喷嘴组合形式，不同喷雾压力下雾滴粒度的变化规律。为更直观的反映雾滴粒径的变化情况，本小结用雾滴索特平均直径代表该工况下的雾流场，将测点A、B、C、D、E五点的索特平均粒径绘制成折线图，如图4所示。

图4表达的是双喷嘴组合形式不同喷雾压力下各测点粒度的变化，由图可以看出，双喷嘴组合形式下，随着压力的增大，各测点雾滴索特平均直径呈减小趋势，两者呈反比。由单喷嘴雾化过程可知，喷雾压力对初级雾化中有重要作用，压力越高可以使雾滴在离开喷嘴时得到更大的初速度和更小的初始粒径。由图4可以看出，在双喷嘴组合的叠加区中，压力越高时，雾滴索特平均直径径越小，但粒径的变小一方面是单喷嘴在高压力时产生更大的初速的和更小的雾粒，另一方面是叠加区雾滴的相互碰撞，又产生了更小的雾滴，结合单喷嘴雾化特性可知，其后者产生更小雾粒的原因占主要成分，所以，双喷嘴组合形式下，雾化叠加区随着压力的升高，雾滴碰撞会产生更小粒径的雾滴。

2.3.2 轴向距离与雾滴索特平均直径的关系

双喷嘴组合形式下不同测点位置与叠加区索特平均直径折线图，如图5所示。

由图5可以看出，喷雾压力为1MPa时，随着轴向距离的增加，雾化叠加区雾滴平均直径呈减小趋势，在测点D处达到最小，最小雾粒平均直径为74.004μm，在测点D之后，雾滴平均直径又出现增大的趋势。喷雾压力为1.5MPa、2MPa、2.5MPa、3MPa时，霧滴平均直径变化规律与1MPa类似，均在测点D位置处雾滴平均直径达到最小。与单喷嘴2MPa时雾化特性相比，雾滴平均直径的最大值（A测点）减小，其差值为39.912μm;这说明双喷嘴叠加区能够产生更小粒径的雾滴，两个喷嘴喷出的雾滴相互碰撞，发生了再次雾化，分裂成许多更小的液滴。双喷嘴组合形式不同压力下雾化粒径的最小点均在测点D处，而单喷嘴雾化粒径的最小点则在测点C处，由此可以得出，双喷嘴组合形式雾化作用点后移，说明喷嘴雾化叠加区喷嘴雾滴相互碰撞后雾粒动能并未减少，反而增加;D点之后雾滴粒径又出现增大的趋势，其原因有两方面，一方面雾滴的动能在测点D附近开始锐减，小雾滴会凝结成较大的雾滴，从而使雾滴的粒度开始变大，也存在雾滴在相互碰撞的过程中，雾粒密度变大，激光粒度仪将相连的两个或多个雾滴看作一个雾滴来计算输出的情况。

液滴粒径过小会迅速蒸发，粒径过大降尘效率很低，分析喷嘴组合实验研究可得，双喷嘴组合形式压力在2.5MPa时，雾滴粒径范围30.493μm～132.667μm与理论分析中的30μm～132μm最为相近。

3  结论

①通过对喷雾压力与雾滴粒径的实验研究可知，双喷嘴组合形式喷雾压力与雾滴索特平均直径均成反比关系，随着压力的增大，雾滴粒径逐渐减小。②通过对喷嘴轴向距离与雾滴索特平均直径的实验研究可知，随着轴向距离距离的增大，雾滴索特平均直径呈先减小后增大的趋势，双喷嘴组合形式雾滴粒径最小点出现在1000mm处，五喷嘴组合形式粒径最小值点出现在800mm处。③喷嘴组合形式对雾滴粒径有积极的作用，液滴间相互碰撞可产生较小粒径的液滴，喷雾压力在2.5MPa时，能产生与降尘效果最佳的粒径范围。

参考文献：

[1]孙明波，董曰喜.现代化矿井采掘防尘技术的研究与应用[J].煤矿安全，2004（1）：18-20.

[2]李兆敏，王汝元，李宝江.流线型组合喷嘴奈流射流特性的试验研究[J].石油大学学报，1993，17（2）：45-48.

[3]徐义，刘永旺，徐依吉，等.不同喷嘴组合超高压射流破岩钻进特性分析[J].计算物理，2011，28（5）：686-692.

[4]刘向升.综放工作面支架喷雾降尘装置的选择及优化[D].山东科技大学，2007.

[5]聂文，程卫民，周刚，等.掘进面喷雾雾化粒度受风流扰动影响实验研究[J].中国矿业大学学报，2012，41（3）：378-383.

[6]曹建明.喷雾学[M].北京：机械工业出版社，2010.

[7]马胜利，刘亚力.掘进工作面高压喷雾降尘的机理分析[J].煤矿机械，2009，30（8）：88-90.