低压空气喷射发生器的声学特性及其对气溶胶颗粒的聚集效果

《Powder Technology》：Acoustic characteristics of a low-pressure air-jet generator and its agglomeration performance for aerosol droplets

本研究开发了一种低压空气喷射发生器，通过数值模拟优化了入口压力（50 kPa）和频率（2.8-8.5 kHz）组合，实验测得声压级（SPL）超过125 dB，能量比率峰值达50.1%。系统考察频率、初始质量浓度和气流速率对凝并效率的影响，发现5.4 kHz时效率最高（64.5%），且效率随初始浓度和气流速率增加而提升。该低能耗设备为工业雾滴消除提供了新方案。

　　

魏东杰|张光学|刘树|陈子月|李云超|童思瑞|徐江荣

中国吉利大学能源环境与安全工程学院，杭州310018，浙江，中国

摘要

声学聚结是一种有前景的气溶胶预处理技术，但其高能耗限制了其规模化应用。为了降低能耗，研究人员开发了一种低压空气喷射发电机。在入口压力为50 kPa、频率为2.8–8.5 kHz的条件下，通过数值方法优化了其声学性能，并测量了该发电机在入口压力范围为10至80 kPa时的声压级。为了评估频率谱质量，计算了能量比（基频处有效窄带能量与总谱能量的比值）。在入口压力为50 kPa的测试中，该发电机产生的声压级（SPL）超过了125 dB，频率偏差控制在0.2–0.5 kHz范围内。值得注意的是，能量比始终保持在36%以上，在7.3 kHz时达到最大值50.1%。这些结果被用于后续声学聚结实验的参数选择。随后系统地研究了频率、初始质量浓度和流速的影响。在当前实验平台和操作条件下，聚结效率超过了60%，在5.4 kHz时达到峰值64.5%，比其他频率下的效率高出1.1%–9.0%。此外，效率随着初始质量浓度和流速的增加而提高，这可能与较大的声幅和较小的液滴间距导致的更高碰撞概率有关。总体而言，在当前平台和范围内，这些结果为参数选择提供了指导，并支持使用低压空气喷射发电机实现高效的液滴去除。

引言

工业和车辆尾气排放的颗粒物对人类健康和空气质量构成严重威胁[1]。细颗粒物（由空气中的固体和液体颗粒组成）由于其微小尺寸和在大气中的长停留时间而特别危险[2]。造纸、钢铁制造和表面涂层等行业会排放直径从几百纳米到几百微米的水雾、酸雾和油漆颗粒[3],[4]。直径小于10 μm的颗粒物会在空气中悬浮较长时间，并能深入人体呼吸道[5]。在城市空气中，这些颗粒物容易吸收酸性气体（如SO₂、H₂SO₄、HNO₃、HCl），从而促进酸雨的形成[6]。水分蒸发后，剩余颗粒物形成PM_2.5，这是城市雾霾的主要成分[7]。因此，高效去除颗粒物对于减少空气污染和保护公共健康至关重要。

现有的颗粒物去除方法包括机械分离[8]、通风[9]、静电[10]、湍流聚结[11]和微波加热[12]。尽管每种方法都有其优点，但实际应用往往受到严格操作要求、安全问题和效率限制的制约[13]。因此，细颗粒物可以逃避传统分离器的捕获，从而在下游保持高浓度。这些限制促使人们开发一种无需试剂、操作简单且节能的预处理方法，以促进颗粒物增长并实现其去除。

声学聚结是一种高效且无污染的预处理方法。高强度声场能够诱导颗粒物运动并增强颗粒物间的碰撞，从而形成较大颗粒物，从而迅速降低颗粒物浓度[14]。迄今为止，研究主要集中在固体气溶胶（如飞灰[15]、柴油烟尘[16]和火灾烟雾[17]）上。利用声波去除悬浮雾滴气溶胶已有成熟的研究基础。早期研究通过实验探索了声波消雾的可行性[18],[19]，最近的研究进一步验证和扩展了相关应用，如除雾[20]和人工降水[21]。Cheng等人[22]证明，由压缩驱动器产生的声场可以有效去除雾气。他们发现，低于50 Hz的低频率结合高于125 dB的声压级（SPL）可以最大化除雾效果。Zhang等人[23]使用类似的装置观察到，更高的声功率和更长的暴露时间可以显著加速颗粒物增长。然而，当功率超过75 W或时间超过20 s时，由于颗粒物破碎，收益会减弱，抵消了聚结带来的效果。Yan等人[24]报告在SPL为151 dB、过饱和度为0.92的湿烟气脱硫系统中，去除效率约为50%。Asgar等人[25]使用压缩驱动器处理硫酸雾时，在SPL为135 dB时获得了低于40%的聚结效率。大多数研究使用电声换能器作为声源。虽然这些设备运行稳定，但通常需要高功率，并且在高温多尘环境中可能耐用性有限，这阻碍了其在工业中的应用。此外，它们在较高SPL下的颗粒物去除效率较低，表明需要使用空气喷射发电机进行颗粒物去除。

空气喷射发电机（如Galton哨子）通过控制压缩空气的排放来激发周围介质，产生所需频率带和强度的连续声波[26]。这种设计成本低、结构简单、能效高，并且在恶劣条件下输出稳定，非常适合高强度声学应用[27]。Zhao等人[28]使用高功率气动源和阶梯波管，在800 Hz、161.8 dB的条件下3秒内实现了92%的PM_2.5去除效率。Tong等人[29]应用流声分离的Hartmann哨子来去除火灾烟雾，在1.5 mm的侧开口和150 kPa的入口压力下，12秒内获得了77.9%的透光率。尽管已有研究针对飞灰和火灾烟雾的聚结进行了空气喷射发电机的研究，但关于颗粒物的实验数据仍然较少。

以往的研究主要使用压缩驱动器或高压空气喷射发电机来去除颗粒物或火灾烟雾，这些方法能耗较高。本研究提出并实验验证了一种低压空气喷射发电机用于颗粒物聚结。通过改变共振腔的长度，设计了六种基频范围为2.8至8.5 kHz的空气喷射发电机，并进行了制造和测试。通过SPL、频率偏差和能量比评估了声学性能。在这些指标的指导下，研究了频率、初始质量浓度和流速对颗粒物聚结的影响。在最佳操作条件下，聚结效率达到了64.5%。总体而言，该研究提供了一种节能的替代方案，并为颗粒物去除的参数选择提供了定量指导。

空气喷射发电机中的声音生成机制

空气喷射发电机是一种高功率声学换能器，使用压缩空气作为工作介质。压缩空气以高速喷射的形式通过喷嘴，撞击腔壁和底部，产生涡流。这些涡流激发周围空气和腔壁的振动，从而产生声音。随着喷射速度的增加，这种效应更加明显。无论是亚音速还是超音速喷射都能产生高SPL[30]。

声学特性的数值模拟方法

图4a显示了计算域和边界条件。计算域在径向上扩展100 mm，在轴向上扩展700 mm，以充分解析喷射流及其相关的冲击结构。进行了非稳态轴对称模拟。空气喷射发电机的入口被指定为压力入口，域的顶部边界被设定为压力出口，其余边界均视为墙壁。在喷嘴附近采用了局部精细化的网格。

空气喷射发电机的流场分析

在入口压力为50 kPa的条件下，对A型空气喷射发电机进行了数值模拟，以研究其瞬态流动演变及相关压力波动。模拟结果包括时间依赖的速度和压力场。图10显示了一个振荡周期内的代表性压力波形，图8和图9中的六个标记时刻（a）用于提取相应的相位解析速度和压力等值线。

结论

本研究设计并数值评估了六种基频范围为2.8至8.5 kHz的空气喷射发电机，通过改变共振腔长度来实现。随后进行了颗粒物声学聚结实验。系统研究了频率、初始质量浓度和流速对聚结效率的影响，入口压力低于80 kPa。主要发现如下：

(1)

增加共振腔长度会导致

作者贡献声明

魏东杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，形式分析，概念化。张光学：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，资金获取。刘树：验证，调查，形式分析。陈子月：验证，方法论，概念化。李云超：方法论，概念化。童思瑞：验证，监督。徐江荣：资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52276162）、浙江省“新苗”（潜力）人才计划（项目编号：2025R409B046）以及浙江省教育厅科研经费（项目编号：Y202456352）的支持。