超音速同轴气动雾化技术：结构优化与粉尘捕获机制研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Supersonic coaxial pneumatic atomization technology: structural optimization and dust capture mechanism study

基于超音速同轴气动雾化喷嘴的结构优化与数值模拟研究，显著提升了可吸入粉尘（0-5μm）的捕捉效率，通过探针长度、孔径及扩散器结构的系统优化，明确了动态微雾形成与粉尘-雾滴协同作用机制。

　　

林权通|郭宇浩|聂文|张忠斌|贾欣|张天

中国国家职业安全卫生中心，北京市102308

摘要

在煤矿开采过程中，经常会产生高浓度的可吸入粉尘，过量吸入这些粉尘会导致地下工人患上严重的呼吸系统疾病，如尘肺病。这构成了严重的职业健康危害。为了解决这些问题，本研究设计了一种超音速同轴气动雾化喷嘴，以提高粉尘抑制效率。通过数值模拟和实验方法，研究了该喷嘴的内部气流特性，并在不同工作条件下对其雾化行为进行了实验验证。通过对喷嘴的关键结构参数（包括同轴探针长度和孔径以及扩散器长度）进行优化，提高了粉尘捕获效率。研究结果表明，在液滴尺寸控制和粉尘抑制效率方面取得了显著提升，为煤矿中先进湿式粉尘抑制系统的设计和应用提供了重要见解。这些发现为加强粉尘控制策略和保护工人健康提供了宝贵的数据和理论支持。与现有研究相比，本研究对超音速同轴气动雾化喷嘴进行了系统的结构优化，并通过内部流场分析和实验表征，阐明了流场演变、液滴破碎和细粉尘捕获之间的耦合机制，证明了其对0–5微米可吸入粉尘的优异去除效率。

引言

煤炭开采仍然是中国的主要能源来源；然而，由于煤尘对矿工的负面影响（刘和刘，2020年；Kamanzi等人，2023年），它带来了重大的职业健康风险。吸入煤尘可能导致慢性呼吸系统疾病，特别是尘肺病，从而造成不可逆的损伤和长期健康问题（Abdul-Wahab，2006年；Chan等人，2012年；刘和刘，2020年）。2023年，国家卫生健康委员会报告了超过8,000例新的职业性尘肺病病例，占全国新发职业病的66%，这突显了有效粉尘控制措施的迫切需求（中华人民共和国国家卫生健康委员会，2023年）。

为了加强粉尘控制并提高地下煤矿的粉尘减少效率，全球学者们进行了广泛的研究。胡等人（Hu等人，2021年）和曹等人（Cao等人，2026年）开发了一种湿式除尘器，显著改善了煤炭生产环境。谢等人（Xie等人，2023年）使用3D FiberPDA研究了扇形喷嘴的雾化性能，揭示了雾化参数的空间分布，并评估了不同压力下的雾化性能和粉尘去除效率。侯等人（Hou等人，2024年）研究了关键喷嘴结构参数对雾化特性（液滴尺寸、雾化角度、流量、有效喷射距离和抗风干扰能力）的影响，为选择有效的粉尘控制喷嘴提供了指导。张等人（Zhang等人，2020a）使用COMSOL计算流体动力学模块模拟了Laval喷嘴中的超音速雾化过程，测试了液滴的雾化与分布模式，并确定了一种提高喷嘴效率的超音速雾化方法。胡等人（Hu等人，2023年）基于流体力学和固液凝聚机制开发了一种新型旋流核心雾化喷嘴，提高了单一粉尘控制技术的效率。彭等人（Peng等人，2022a）引入了一种负压喷射粉尘去除水幕，取得了显著的粉尘抑制效果。张等人（Zhang等人，2023年）研究了空气动力压力对超音速虹吸雾化粉尘去除的影响，获得了液滴特性和粉尘减少机制。彭等人（Peng等人，2022b）设计了一种安装在液压支撑上的吹喷协同除尘器，减少了全机械化工作面的粉尘污染。张天等人（Zhang等人，2024年）通过数值模拟和实验开发了超音速同轴气动雾化粉尘去除技术，揭示了动态微雾的形成和粉尘捕获机制。彭等人（Peng等人，2025年）研究了空气雾化喷嘴的雾化机制，并获得了提高粉尘去除效果的喷射参数。张等人（Zhang等人，2020b）基于数值模拟和空气动力雾化实验设计并优化了一种新型探针结构喷嘴，显著提高了粉尘抑制效率。任等人（Ren等人，2024年）创新了涡流雾化喷嘴，提高了粉尘减少效率。韩等人（Han等人，2024年）开发了一种感应静电双流体喷嘴，显著提高了粉尘抑制效率。韩等人（Han等人，2023年）进一步研究了喷射破碎方法，发现当水充足时，旋转压力喷嘴具有更优越的粉尘抑制效果，而在水资源有限的环境中，内部混合气液喷嘴更为有效和经济。

近年来，超音速同轴气动雾化技术因能够产生高速气体射流和具有强穿透力和广泛覆盖范围的细小液滴而在煤矿粉尘控制领域受到了越来越多的关注。与传统压力或旋流喷嘴不同，该技术通常将Laval喷嘴与同轴液体注入结构结合在一起，使液体在强剪切和可压缩流动条件下破裂。先前的研究表明，超音速同轴雾化可以有效提高液滴细度和粉尘捕获效率，尤其是在通风环境中对可吸入粉尘而言。

然而，关于超音速同轴气动雾化的现有研究仍然相对有限且分散。首先，关键结构参数（如同轴探针长度、探针孔径和扩散器几何形状）的影响尚未得到系统研究，大多数设计仍基于经验优化。其次，超音速流动条件下的雾化和粉尘捕获机制，特别是内部流场演变、实验观察到的液滴破碎以及粉尘-雾相互作用之间的耦合机制尚未完全阐明。第三，尽管有一些实验室规模和现场应用的研究报告，但超音速同轴雾化喷嘴在真实矿山通风条件下的适应性和性能仍需进一步定量评估。

与传统基于Laval的超音速雾化喷嘴（主要关注气体加速）和依赖负压进行液体携带的虹吸雾化技术相比，超音速同轴气动雾化喷嘴引入了同轴探针和扩散器结构，可以直接调节气液相互作用强度和能量分布。然而，这种配置在结构优化、雾化效率和细粉尘捕获机制方面的差异化优势在以往研究中尚未得到充分量化或比较。

因此，本研究旨在系统研究超音速同轴气动雾化喷嘴的结构优化和粉尘捕获机制。通过结合数值模拟和实验测量，从数值上分析了同轴探针长度、探针孔径和扩散器长度对内部流动特性的影响，同时从实验上评估了它们对雾化行为和粉尘减少性能的影响。研究结果希望通过将内部流场特性与实验表征的雾化行为联系起来，阐明超音速同轴雾化的基本机制，并为地下煤矿中的高效粉尘控制系统提供有针对性的设计指导。

部分摘要

数值模型建立

数值模拟假设Laval喷嘴内的气流表现为理想气体，并满足一维等熵流动方程。压缩空气被视为牛顿流体，其流动受连续性和纳维-斯托克斯方程的控制。气体密度使用等熵关系计算。

动量守恒方程（RANS）$\rho \left(\text{u}??\right)\text{u}=??\left(?p\text{I}+\text{K}\right)+\text{F}$

ρ：流体密度（kg/m3），u：速度矢量（m·s^-1），p：压力（Pa），I：单位张量，K：粘性应力张量（Pa），

结构参数对数值模拟和雾化特性的影响

不同结构参数对数值模拟和雾化特性的影响如图10、图11和图12所示。

对于同轴探针长度（图10），三种长度的比较表明，Laval喷嘴内的气流速度差异很小，而出口速度随着探针长度的增加而显著减小。探针长度的增加导致流线分布角度、雾化角度和液滴尺寸增大。32.5毫米的同轴探针长度

结论

本研究通过数值模拟和实验验证，全面分析了超音速同轴气动雾化喷嘴的结构优化和粉尘捕获机制。

喷嘴的结构参数对其雾化特性（液滴尺寸、速度、雾化角度和喷射距离）以及内部流场分布有重要影响。32.5毫米的探针长度被确定为最佳长度，因为它能够使气流更加均匀

局限性和未来工作

尽管本研究系统研究了超音速同轴气动雾化喷嘴的结构优化和粉尘捕获机制，但仍需承认一些局限性。

首先，粉尘减少实验使用煤尘作为代表性颗粒物进行。虽然煤尘是地下采矿中最主要的职业危害之一，但其他工业粉尘（如岩石粉尘、金属粉尘或混合颗粒物）也可能

CRediT作者贡献声明

林权通：概念构思。张天：撰写——审稿与编辑，资金获取。贾欣：正式分析。张忠斌：数据管理。聂文：资金获取。郭宇浩：撰写——初稿。

利益冲突声明

所有作者均未披露相关利益关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号52204216）、中国博士后研究基金（2022M711456）、中国国家重点研发计划（编号2023YFC2509300）以及国家卫生健康委员会工程控制粉尘危害重点实验室2023年开放项目（KLECDH20230101）的支持。作者还感谢辽宁工程技术大学、山东科技大学的同事和专家们的帮助