基于fluen的自吸風(fēng)噴霧與常規(guī)噴霧的比較研究

基于fluen的自吸風(fēng)噴霧與常規(guī)噴霧的比較研究

0煤礦工人塵肺病的現(xiàn)狀如今，粉末已成為行業(yè)中最嚴(yán)重的災(zāi)害。例如，無(wú)論采用何種防雨措施，工作場(chǎng)所中的粉末重量重量通常為3000mg。如果使用工業(yè)粉，則重量最高的是5000mg。當(dāng)固體顆粒含量達(dá)到20%以上時(shí)，總粉末和總粒徑顆粒的體積超過(guò)100倍。據(jù)統(tǒng)計(jì),各種煤礦生產(chǎn)區(qū)塵肺病人數(shù)占全國(guó)塵肺病人數(shù)的3/4左右,約31.40萬(wàn)人,而且這一數(shù)據(jù)仍在不斷增長(zhǎng)。粉塵不僅損害了煤礦工人的身心健康,同時(shí)也使國(guó)家在處理粉塵方面花費(fèi)了大量的人力物力,造成了相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失,目前已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外重視。隨著近幾年科技的發(fā)展,治理煤礦粉塵的研究工作已取得很大進(jìn)步,目前煤礦掘進(jìn)工作面主要采用噴霧降塵。由于霧化程度與降塵效率有直接關(guān)系,因此本文基于Fluent軟件分析壓氣水自吸風(fēng)噴霧與常規(guī)噴霧,來(lái)比較出壓氣水自吸風(fēng)噴霧降塵的優(yōu)越性。1fluen軟件介紹Fluent軟件是適用于每個(gè)領(lǐng)域的流動(dòng)模擬軟件,只要涉及流體、熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等的工程問(wèn)題,都可以用Fluent進(jìn)行解算。Fluent軟件包由下列幾部分組成:(1)前處理器:Gambit是用于網(wǎng)格的生成,它是具有極強(qiáng)的組合構(gòu)建模型能力的專(zhuān)用性CFD前處理器;(2)求解器Fluent:它是整個(gè)流體計(jì)算的核心;(3)后處理器:Fluent求解器本身就附帶有后處理功能,同時(shí),Tecplot也是一款具有專(zhuān)業(yè)水準(zhǔn)的后處理器,能夠?qū)⒛承?shù)據(jù)可視化。2根據(jù)噴霧干燥的評(píng)價(jià)2.1常規(guī)噴霧裝置模型的建立本實(shí)驗(yàn)是用來(lái)模擬旋轉(zhuǎn)射流的噴射效果,其采用擴(kuò)散式旋轉(zhuǎn)噴嘴,孔徑為3mm。在運(yùn)用Fluent軟件之前,需先利用Gambit軟件建立一個(gè)模型,壓氣水自吸風(fēng)噴霧以及常規(guī)噴霧裝置的模型分別如圖1、圖2所示。另外,在射流出口處建立一個(gè)自由空間,其目的是便于觀察自由空間的流場(chǎng)分布。2.2噴嘴網(wǎng)格的加密劃分時(shí)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,雖然網(wǎng)格的生成相對(duì)復(fù)雜,但是針對(duì)邊界條件很復(fù)雜的流場(chǎng)來(lái)說(shuō)計(jì)算效果較好。可以根據(jù)實(shí)際需要選擇恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)格間距,一些物理量變化很復(fù)雜或很明顯的區(qū)域可以進(jìn)行加密處理。鑒于噴嘴尺寸小,附近流場(chǎng)的變化梯度大,因此需要對(duì)噴嘴周?chē)木W(wǎng)格加密。第1步先將噴嘴的出口進(jìn)行邊的網(wǎng)格劃分,在Spacing菜單中選擇Intervalcount按鈕,選取數(shù)值為10,然后分別對(duì)射流管內(nèi)部流場(chǎng)以及外部流場(chǎng)進(jìn)行面的網(wǎng)格劃分,射流管和外部流場(chǎng)均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,選取面積分別為5和10。最終得到所需要的網(wǎng)格模型,網(wǎng)格數(shù)在30萬(wàn)~50萬(wàn)之間,如圖3、圖4所示。2.3噴霧的物理模型分析壓氣水自吸風(fēng)噴霧邊界條件的設(shè)置如圖5所示:噴嘴連接處的導(dǎo)管入口定義為inlet。集風(fēng)器入口以及擴(kuò)散管出口均定義為outlet。同時(shí)將射流管壁及水管壁都定義為wall,其滿(mǎn)足Fluent所默認(rèn)的無(wú)滑移條件壁面。常規(guī)噴霧的邊界條件設(shè)置如圖6所示:噴嘴連接處的導(dǎo)管入口作為壓力入口,將管壁作為壁面,剩余的邊界均作為壓力出口。本文所討論的數(shù)值模擬為氣液兩相混合的射流噴霧模擬,屬于非淹沒(méi)射流的范圍。為了解不同因素對(duì)噴霧射流造成的影響,分別進(jìn)行壓氣水自吸風(fēng)噴霧以及常規(guī)噴霧的內(nèi)部及外部流場(chǎng)數(shù)值模擬的分析。然后將繪成的網(wǎng)格模型輸進(jìn)Fluent軟件中,進(jìn)而根據(jù)不同的流場(chǎng)設(shè)置初始參數(shù)來(lái)模擬計(jì)算。壓氣水自吸風(fēng)噴霧流場(chǎng)選擇定常穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、隱式分離式求解器、Mixture模型。將水設(shè)為初始相,空氣為第2相,外部的環(huán)境設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,入口的壓力設(shè)為20MPa,空氣的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0.7,出口處則為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,空氣體積分?jǐn)?shù)為1.0。將求解器中的壓力離散方法用標(biāo)準(zhǔn)化離散設(shè)置,壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法,體積分?jǐn)?shù)、湍動(dòng)能、動(dòng)量以及耗散相離散方法均采用默認(rèn)的設(shè)置。常規(guī)噴霧的模擬也選擇定常穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、隱式分離式求解器以及Mixture模型。初始相為空氣,第2相為水,入口壓力為2MPa,水的體積分?jǐn)?shù)為1.0,出口處為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,水的體積分?jǐn)?shù)為0。壓力離散方法設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)化離散,壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法,體積分?jǐn)?shù)、湍動(dòng)能、動(dòng)量以及耗散相離散方法均采用默認(rèn)的設(shè)置。3壓氣水自吸風(fēng)噴霧的霧化角不同噴霧的流場(chǎng)分布如圖7、圖8所示,流場(chǎng)速度最大的位置位于噴嘴的出口處,在管道中發(fā)展之后,在管道射流邊界層受到紊流的干擾,使其射流速度逐漸減慢,造成此結(jié)果的原因?yàn)樯淞骱椭車(chē)目諝忾g發(fā)生了動(dòng)量交換;進(jìn)入漸縮管喉管之后,靜壓變?yōu)閯?dòng)能,喉管內(nèi)部的能量交換造成了射流速度均有不同程度增加。整體來(lái)看,壓氣水自吸風(fēng)噴霧的霧化角比較大,并且其流場(chǎng)比較均勻。與常規(guī)噴霧相比,壓氣水自吸風(fēng)噴霧的噴嘴出口處的速度梯度相對(duì)較大,在壓氣水自吸風(fēng)高壓氣流的作用下,噴霧在噴出后不斷和空氣進(jìn)行能量交換,并且在很長(zhǎng)一段距離內(nèi)保持一定速度,因此壓氣水自吸風(fēng)在出口處的流場(chǎng)速度分布更加均勻。利用DPM模型比較兩種噴霧流場(chǎng)的霧滴粒徑的特征,對(duì)噴霧流場(chǎng)中離子的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬,分別得到兩種情況下距離出口截面為200mm處的霧滴粒徑,圖9、圖10所示為Fluent導(dǎo)出的結(jié)果。通過(guò)截圖可知壓氣水自吸風(fēng)噴霧粒徑為65.02μm,常規(guī)噴霧粒徑為113.50μm。以此方法類(lèi)推得到距出口截面分別在250,300,350,400,450,500mm處時(shí)的粒徑大小,如圖11所示。從圖中可以看出,在選取的截面與出口距離都增加的同時(shí),霧滴的平均粒徑也隨之增大。還可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于同一截面的壓氣水自吸風(fēng)噴霧的平均粒徑相較于常規(guī)噴霧更小。4壓氣水自吸風(fēng)噴霧的平均粒徑本文主要利用Fluent軟件對(duì)壓氣水自吸風(fēng)噴霧和常規(guī)噴霧進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析對(duì)比了兩者的流場(chǎng)分布特點(diǎn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察可以發(fā)現(xiàn):使用壓氣水自吸風(fēng)噴霧這一方式的流場(chǎng)分布相較于常規(guī)噴霧更均勻,霧化角更大。另外,分別對(duì)兩者的霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤模擬,從而得出每1個(gè)射流管在不同截面時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑大小,其中距出口的截面為200mm距離時(shí)的粒徑分別為65.02μm和113.50μm,以此方法類(lèi)推得到距出口的截面為250,300,350,40