超声波雾化喷嘴共振腔对雾化特征的影响研究.pdf

18Tgy,resonancecavityinCoal Minesnatomization2023,54(8):18-25移动扫码阅读DONG Changzhu,PENG Shuting,CHEN Fuzhen.Research on the influence of ultrasonic atomization nozzle54(8):18-25.董长竹，彭枢廷福振超振控安全，2 0 2 3SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤矿发全第8 期第54卷D0I:10.13347/ki.mkaq.2023.08.005超声波雾化喷嘴共振腔对雾化特征的影响研究董长竹1，彭枢廷？，陈福振2（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南2 50 0 13;2.西北工业大学动力与能源学院，陕西西安7 10 0 7 2）摘要：针对流体动力式超声波雾化喷嘴空间分布不均、噪声大的问题，采用数值模拟结合实验的方法，对喷嘴共振腔对雾化特征的影响进行了研究，计算获得共振腔的振荡特性，拍摄到了雾化近场特征，并测量了液滴的平均粒径及喷嘴噪声声压级。研究结果表明：对于目标喷嘴，吞吐模式与非吞吐模式下共振腔的压力振荡频率分别由喷嘴压力比和几何结构决定；吞吐模式下，共振腔深度增大导致压力振荡频率降低，容易导致喷嘴产生过大噪声，而过小的深度会导致腔口膨胀气流流速过低；共振腔内径对振荡频率影响较小，但内径过大会导致液滴空间分布不均及压力振幅下降；喷口到腔口的间隔距离影响声压级大小，喷嘴索特平均直径与声压级大小成反比。关键词：超声雾化；共振腔；振荡特性；液滴分布；喷嘴噪声中图分类号：TD714文献标志码：A文章编号：10 0 3-496 X(2023)08-0018-08Research on the influence of ultrasonic atomization nozzle resonance cavity onatomization characteristicsDONG Changzhu,PENG Shuting,CHEN Fuzhen?(1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd.Jinan 250013,China;2.School of Power and EnNorthwestern Polytechnical University,Xian 710072,China)Abstract:Aiming at the problems of uneven spatial distribution and excessive noise of the hydrodynamic ultrasonic atomizationnozzle,the influence of the resonant cavity of the ultrasonic atomization nozzle on the atomization characteristics was studied bynumerical simulation combined with physical experiments,the oscillation characteristics of the resonance cavity were calculated,the near-field characteristics of atomization were photographed,as well as the average particle size of the droplets and the noisesound pressure level of the nozzle were measured.The results show that for the target nozzle,the pressure oscillation frequency ofthe resonator in huff and puff mode and non huff and puff mode is determined by the nozzle pressure ratio and geometry,respectively.In the huff and puff mode,the increase in the depth of the resonant cavity will lead to the decrease of the pressureoscillation frequency,which will easily lead to excessive noise of the nozzle,while the too small depth will lead to the low flowrate of the expansion airflow at the cavity opening.The inner diameter of the resonant cavity has little effect on the oscillationfrequency,but it will lead the uneven droplet distribution and the lower pressure amplitude.The distance between the nozzle andthe cavity affects the sound pressure level,and the average nozzle Sauter diameter is inversely proportional to the sound pressurelevel.Key words:ultrasonic atomization;resonant cavity;oscillation characteristics;droplet distribution;nozzles noise收稿日期：2 0 2 2-11-0 4责任编辑：兰莹基金项目：国家自然科学基金资助项目（1190 2 2 6 7）作者简介：董长竹（198 2 一），男，山东莱西人，高级工程师，本科，从事电力工程建设、项目管理方面的相关技术工作。E-mail:19SafetyinCoalMines2023年8 月Aug.2023Vol.54No.8第8 期第54卷煤矿发全在矿井作业中，由于燃煤接卸、转运、筛分、破碎、输送等过程，导致了大量烟气和飞灰的产生。在这些作业中，主要以产生PMio为主，即可吸入颗粒物，对环境造成巨大破坏的同时还给工作人员的身体健康带来伤害!。流体动力式超声波雾化喷嘴作为喷雾除尘喷嘴的一种，利用频率超过2 0 kHz的声场作用于液体工质从而实现雾化，具有粒径小、捕尘效果好等优点，起到了很好的除尘作用。但到目前为止，应用流体动力式超声波雾化喷嘴进行除尘作业时还存在一些问题，如噪声大，液滴空间分布不均等。对于流体动力式超声波雾化喷嘴，产生超声频率的发声装置为共振腔。目前市面上常见喷嘴的共振腔激励结构大多基于Hartamnn哨2 演变而来,在一定条件的来流压缩气体作用下，共振腔产生激励作用。在小工况下，共振腔内气体几乎不发生振荡，称为射流不稳定模式。随着来流气体压力增大到一定数值时，共振腔内气体会出现强烈的振荡，形成振荡激励模式（包括吞吐模式和非吞吐模式），共振腔内气体振荡的频率、幅值与来流条件以及共振腔结构密切相关。由于雾化能量很大部分来源于共振腔，因此研究共振腔的工作机理对指导该类型雾化装置的设计与应用有重要意义。多年来，研究者们对共振腔在来流气流下的振荡特性及其产生机理进行了大量研究，总结了共振腔的振荡特性以及声学特性2-7 。另外，共振腔作为喷嘴的关键结构，振荡特性直接影响雾化特征。研究者们对超声波雾化的雾化机理、雾化性能以及改型优化方案做了大量研究8-17 。结果表明液膜、液滴的雾化特征与共振腔所产生的声压级与声频关系密切，引人共振腔的振荡激励，能较好改善喷嘴的工作性能。虽然前人已经关于超声波雾化喷嘴进行了大量工作，但大多集中在单独研究共振腔的振荡机理或喷嘴的宏观性能，对于共振腔结构结合雾化细节的研究较为缺乏。评判喷嘴好坏的标准不仅仅是宏观上的液滴平均直径、雾化角等参数，关注喷嘴噪声以及液滴的空间分布同样重要。因此，首先利用数值模拟方法，对研究对象的共振腔振荡特征进行计算，得到了共振腔在不同喷嘴压力比（入口总压与远场总压的比值）、不同共振腔内径和深度下的振荡特性，并从振荡频率角度分析了目标喷嘴噪声过大的问题。再通过物理实验，利用高速相机拍摄喷嘴雾化近场，捕捉雾化过程的动态图像，分析了共振腔对液滴分布以及液体破碎过程的影响；通过声级计与粒度仪测量噪声声压级（SPL)及雾化场索特平均直径（SMD）。结合数值模拟结果，为雾化喷嘴共振腔的结构改进提供了优化思路。1数值方法与实验方案1.1数值方法基于可压缩二维轴对称柱坐标系下的Navier-Stokes方程建立控制方程：EaFEFH=0(1)山atarx;r十式中:Q=(p,pui,puj,e)T;p为流体密度,kg/m;uivuj为2 个坐标方向的速度，m/s;e为能量,J;t为时间；E、F为2 个坐标方向的无黏通量，（kgm)/s；E，、F,为2 个坐标方向的黏性通量，（kgm)/s;H为源项。采用Spalart-Allmaras湍流模型描述流。对涡黏性相关量建立输运方程：(puui)(pu+pi）t)-Y,+S,(2)式中：G,为由流运动黏度产生的项;，、Cb2为常量；u为分子运动黏度，m?/s；Y，为由于近壁面涡黏性耗散所产生的项；S为源项。定义涡黏性系数：M=puf.(3)尼函数，定义为：f1为黏性阻尼函数，定义为：fi=(4)X+C式中:x=;C.a为常数。瑞流运动黏度产生项G，定义为：G,=Gbipi(S+（1X)(5)1+xfu1式中:Gbl、k 为常数;d为到壁面的距离,m/s;S为基于涡尺度的变形张量的标量度量。S=V20,2(6)式中：2，为旋转张量。Qu;u)2;=0.5(7)由于近壁面涡黏性耗散所产生的项Y，定义为：2Y,=Cup+G6(8)dG+C6W320Safetyin Coal MinesAug.20232023年8 月No.8煤码发全Vol.54第54卷第8 期G=sk22+V1+xfu6(9)sk2d-+i1+xfu12+V1+xf1流模型中的常数取值如下：0,=2/3;Gbl=0.1355；Gb2=0.622;k=0.42;Cwl=3.21;Cw2=0.3;Cw3=2.0;Cu=7采用LeastSquaresCell-Based方法计算梯度，对于空间与时间上的离散均采用二阶迎风格式。使用CFL准则约束计算时间步长1.2实验装置与研究对象实验台示意图如图1。由供能装置提供的压缩空气与一定压力的液体输入目标喷嘴，使用高速摄像机捕捉雾化细节，通过粒度仪、声级计分别测量粒度分布和喷嘴噪声声压级。高速摄像机数据采集台粒度仪水泵压力变送器电磁阀控制开闭声级计储气罐测试喷嘴空压机减压阀、压力表光源压力调节阀图1实验台示意图Fig.1Experimental platform针对雾滴群体，以索特平均直径为判断标准，常用D32、SM D 表示。其优点是能真实反映出雾滴的蒸发条件，最能反映干燥、燃烧属性。计算公式如下：Zn;dZf.d3DSMD=(10)Zf.d2dPi式中：n;为dp粒径的滴数;fi为dp粒径的个数频率。采用常见的2 种型号喷嘴作为研究对象，二者内部流场分布近似,共振腔几何结构存在区别，A喷嘴与B喷嘴的几何参数见表1,A喷嘴和B喷嘴的实物图及其激励结构示意图如图2。在间隔距离4.5mm、供气压力6 0 0 0 0 0 Pa、供水流量0.4L/min