《Powder Technology》：Influence of nozzle structure on atomization characteristics and coal dust suppression efficiency of siphon aerodynamic atomizing nozzle
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煤尘对矿工健康和安全生产威胁显著，本研究通过实验与VOF-DPM模拟结合，探究siphon式气动雾化喷嘴的雾化特性与煤尘控制效率。采用L25正交实验设计分析内通道孔径（d）、外环间隙宽度（w）、导流通道数量（n）对粒径分布（SMD）及除尘效率的影响，结果表明d影响最大，最优参数为d=1.5mm，w=0.40mm，n=6，在0.5MPa气压下总尘和呼吸性粉尘去除效率分别达90.17%和89.00%，其机理在于8-50μm粒径尘粒捕获率提升65.31%，0-2μm粒径沉降率降低33.70%。该研究为煤矿粉尘控制技术提供理论支撑。
杨天天|邵赫|程建伟|李文普|司俊宏|齐少波
太原理工大学安全与应急管理工程学院，中国太原 030024
摘要
煤尘严重威胁矿工的健康和生产安全。因此，本研究通过结合实验和数值模拟方法，对一种虹吸空气动力学雾化喷嘴进行了研究。采用体积流体（VOF）和离散相模型（DPM）耦合方法，可视化喷嘴内部和外部的雾化过程及流场特性。通过L25正交实验设计生成了25种具有不同结构参数的喷嘴配置。通过范围分析评估了内通道直径（d）、外环间隙宽度（w）和导流通道数量（n）对雾化效果和除尘性能的影响。结果表明，这些参数对Sauter平均直径（SMD）的影响顺序为d > w > n，其中d对气水流速的影响最大。最佳喷嘴参数为d = 1.5 mm、w = 0.40 mm和n = 6。在0.5 MPa的空气压力下，总除尘效率和可吸入尘粒除尘效率分别达到了90.17%和89.00%。这一性能的提升归因于8–50 μm范围内尘粒频率增加了65.31%，以及0–2 μm范围内尘粒减少了33.70%，表明液滴与尘粒的耦合和沉降效果得到增强。本研究结合正交实验和VOF-DPM模拟，分析了结构参数对虹吸气动喷嘴雾化效果和除尘性能的影响，为该技术在煤矿中的应用提供了理论支持。
引言
煤炭仍然是中国能源系统中的主导资源，在国家能源消费结构中持续占据重要地位[1]、[2]、[3]、[4]。根据最新统计数据，2024年的煤炭消费比例仍高达54.2%[5]、[6]。虽然煤炭为经济社会发展提供了支持，但煤炭开采、储存和运输过程中产生的粉尘污染问题日益突出[7]、[8]，对工人的职业健康构成了严重威胁[9]、[10]、[11]、[12]。职业性呼吸系统疾病，尤其是尘肺病的发病率呈上升趋势[13]、[14]。根据国家卫生健康委员会发布的《卫生服务发展统计公报》，2015年至2024年间，尘肺病病例在所有职业病中的占比每年均超过60%[15]。预计2024年尘肺病病例数将达到9,173例，比2023年增加了4.71%，如图1所示。因此，煤尘控制仍然是煤矿安全生产领域的研究重点[16]、[17]、[18]。
为了预防和控制煤尘，学者们探索了多种湿法除尘技术，如煤层注水[19]、[20]、[21]、通风除尘[22]、[23]、抑尘剂应用[24]、[25]以及喷雾除尘[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。其中，湿法喷雾除尘技术因其系统结构简单且适应性强而广泛应用于工程实践中[31]、[32]、[33]、[34]。国内外学者对空气雾化喷嘴的雾化机制和结构优化进行了大量研究[35]、[36]、[37]、[38]。Tong等人[39]在自主研发的测试平台上进行了实验，研究了空气压力和水流速对内混式气动雾化喷嘴雾化角和液滴大小的影响。结果表明，在0.2至0.4 MPa的空气压力和10至16 L/h的水流速范围内，Sauter平均直径（SMD）随空气压力增加而减小，但随着水流速增加而增大。Li等人[40]利用实验和Fluent数值模拟方法分析了空气压力和水压对三种气液内混式喷嘴雾化特性的影响，发现当空气压力和水压均为0.3 MPa且喷嘴以45°角度安装在除尘系统中时，喷雾覆盖范围最广。Zhang等人[41]对同轴双流体喷嘴进行了数值模拟，研究了中心液体射流与周围环形气流之间的喷射角度对初级雾化过程的影响，结果表明30°的喷射角度具有最佳的雾化效果。
除了操作条件外，内部结构参数（如孔径直径、深度和混合室几何形状）的优化对雾化质量也起着决定性作用。Chen等人[42]、[43]研究了孔径直径、孔径深度和出口距离对两相流喷嘴雾化特性的影响。当孔径直径和深度均为2.5 mm时，液滴的平均速度最高。Jin等人[44]进行了正交实验，研究了入口压力、喷嘴孔径直径、出口长度与直径比、涡流室高度和螺旋芯高度对生物柴油喷嘴流场特性的影响。与原始喷嘴相比，优化后的喷嘴使喷雾锥角增加了30.9%，SMD减少了45.3%。Chen等人[45]研究了排放孔径直径（d???）、入口压力（p）和液体粘度（μ）对压力旋流喷嘴雾化特性的影响，发现排放孔径直径是影响喷雾角度的关键因素。
更重要的是，近期研究开始关注喷嘴结构与除尘效率之间的耦合关系。Huang等人[46]研究了六种不同直径的气液内混式喷嘴的雾化特性，发现随着喷嘴直径的增加，雾化范围先扩大后减小。当喷嘴直径为2.5 mm时，喷雾覆盖范围约为477.5 cm，最大除尘效率超过90%。在压力旋流雾化领域，Wang等人[47]、Peng等人[48]和Hou等人[49]重点研究了旋流喷嘴的关键结构参数（如出口直径和内部流道），证明出口直径和内部流道的几何优化显著提高了可吸入尘粒的捕获效率。关于气动雾化，Wang等人[50]证实，内混式喷嘴中特定的空气帽和液体孔径组合可以实现更低的能耗并实现更好的除尘效果。此外，Peng等人[51]采用响应面法（RSM）优化了空气喷射管和混合室长度，使可吸入尘粒的除尘效率达到了92.19%。
然而，与研究中使用的压力旋流或内混机制不同，虹吸空气动力学雾化喷嘴基于独特的负压吸力和外部混合原理工作。因此，关于虹吸空气动力学雾化喷嘴的雾化特性研究仍然有限，尤其是在喷嘴结构参数优化及其除尘性能方面，这仍是文献中的空白。因此，本研究通过实验和数值模拟方法研究了虹吸空气动力学雾化喷嘴，可视化了喷嘴内部的雾化过程，分析了流场分布特性，并考察了结构参数（包括内通道直径（d）、外环间隙宽度（w）和导流通道数量（n）对雾化效果和除尘性能的影响。通过正交实验设计确定了最佳除尘条件。本研究为在除尘应用中采用虹吸型气动雾化技术提供了理论和实验支持。
喷嘴模型
虹吸空气动力学雾化喷嘴的内部结构如图2所示。该喷嘴产生空心锥形喷雾模式，由几个主要部件组成：喷嘴外壳、气水中心通道、旋风器和出口盖。喷嘴底部有三个直径为2 mm的空气入口孔，一个直径为2 mm的侧水入口连接到内径为4 mm的水中心通道。六个倾斜的螺旋形导流通道
数值模拟可靠性验证
为了验证所建立的计算模型，在选定的操作条件下进行了统计分析，其中空气供应压力设定为0.3 MPa。将虹吸空气动力学雾化喷嘴的雾化角模拟结果与位于喷嘴出口下游300 mm处的参考线处的实验数据进行了比较，如图10所示。如图10所示，模拟得到的雾化角为33.64°
虹吸空气动力学雾化喷嘴的雾化特性
表4展示了不同空气压力下虹吸空气动力学雾化喷嘴的喷雾范围、雾化角、SMD、空气流量和水流量的测试结果。实验结果表明，空气压力的增加导致喷雾距离延长和雾化角减小。
5. 结论
为了提高煤矿的除尘效率，本研究通过数值模拟和正交实验研究了虹吸空气动力学雾化喷嘴的雾化特性和除尘性能。主要结论如下：
（1）利用VOF和DPM模型可视化了内部流场和液滴破碎行为。模拟结果与实验数据吻合良好（相对误差< 5%），验证了模型的有效性
作者贡献声明
杨天天：撰写——原始稿件、软件开发、方法论构建、概念构思。邵赫：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。程建伟：撰写——审稿与编辑、指导。李文普：指导、资源协调。司俊宏：方法论研究。齐少波：数据可视化、实验设计。
利益冲突声明
我们希望向《Powder Technology》期刊提交一篇题为“喷嘴结构对虹吸空气动力学雾化喷嘴雾化特性和除尘效率的影响”的原创研究文章。
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号51804210）的支持。
