CN104198344B - 风流‑雾滴‑粉尘三相介质耦合沉降的实验装置及方法 - Google Patents
风流‑雾滴‑粉尘三相介质耦合沉降的实验装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种风流‑雾滴‑粉尘三相介质耦合沉降的实验装置及方法，其包括由有机玻璃制成的模拟管道，该模拟管道设置有入风口与出风口，模拟管道靠近入风口处设置有粉尘发射器，模拟管道另一端设置有与粉尘发射器相向布置的水雾喷嘴，模拟管道在与耦合沉降区域对应处均匀布置有多个间隙，每个间隙形成激光检测区，模拟管道两侧分别设置有激光多普勒干涉仪，激光多普勒干涉仪能扫描对应的激光检测区。能够模拟大气环境中喷雾场下的风流‑雾滴‑粉尘三相介质耦合沉降的状况，能够测试不同类型喷嘴的降尘效果，为研发高效喷嘴提供技术支持；可以选择性开启喷嘴的数量及位置，为研发高效喷雾设备提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降的实验装置及方法。
背景技术
近几年，雾霾天气现象日渐增多，使空气质量明显降低，严重影响人们的身心健康。首先，雾霾中的PM 2.5威胁新生儿健康，雾天日照减少，儿童紫外线照射不足，体内维生素D生成不足，对钙的吸收大大减少，儿童生长减慢。其次，霾的组成成分非常复杂，它能直接进入并粘附在人体呼吸道和肺泡中，引起急性鼻炎和急性支气管炎等病症，如果长期处于这种环境还会诱发肺癌。再次，雾霾天气空气中污染物多、气压低，容易诱发心血管疾病的急性发作。最后，雾霾中的一些化合物通过光化学反应，产生含剧毒的光化学烟雾，严重威胁人类生命。
另外，尘肺病是我国第一大职业病，根据国家卫生计生委通报，2012年全国报告职业病27420例，尘肺病24206例，占88.3％，其中，煤炭行业尘肺病22997例，占尘肺病总例数的95％。由此可见，预防我国职业病的关键是预防尘肺病，预防尘肺病的关键是预防煤炭行业尘肺病。
不管是针对雾霾天气中的PM 2.5还是煤炭行业的粉尘，目前所采用的主要技术手段还是喷雾降尘。国内外大量研究成果表明，在风流、雾滴与尘粒三相介质的耦合沉降过程中，雾滴粒径的大小至关重要。一般认为当雾滴粒径为尘粒粒径的8-10倍时，雾滴与尘粒的耦合沉降效果最优。在实际喷雾过程中，产生的雾滴粒径很难达到10μm以下，基本可认为雾滴粒径越小，耦合沉降尘粒的效果越好。喷雾雾滴粒径的大小受多种因素影响，其中，对喷雾场雾滴测点的布置方法，喷嘴的种类、位置和数量，雾滴的粒径和速度，以及风速大小对耦合降尘影响的研究尤为重要，但国内外学者所研究的降尘技术，在测点的布置，喷嘴种类、位置和数量，雾滴的粒径和速度，以及加入风流进行三相介质耦合沉降的实验装置和方法的研究较少，总体上缺乏理论和实验依据。
综上所述，现有技术有待更进一步的改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明提供的一种风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降的实验装置及方法，为风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降提供试验数据，为降尘、控尘提供理论依据。
为解决上述技术问题，本发明方案包括：
一种用于风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降的实验装置，其包括由有机玻璃制成的模拟管道，其中，该模拟管道一端设置有用于导入模拟风流的入风口，另一端设置有出风口，模拟管道靠近入风口处设置有粉尘发射器，模拟管道另一端设置有与粉尘发射器相向布置的水雾喷嘴，粉尘发射器产生的尘场随风流向出风口方向移动，水雾喷嘴产生的水雾向入风口方向喷射，水雾与尘场在模拟管道内形成耦合沉降区域，模拟管道在与耦合沉降区域对应处均匀布置有多个间隙，每个间隙形成激光检测区，模拟管道两侧分别设置有激光多普勒干涉仪，激光多普勒干涉仪能扫描对应的激光检测区；模拟管道与尘场对应处均匀布置有多个气压风速计，水雾喷嘴与出风口之间的模拟管道内均匀布置有多个PM2.5颗粒物采样器；激光多普勒干涉仪、气压风速计、PM2.5颗粒物采样器均与一数据处理器通信连接。
所述的实验装置，其中，上述入风口处设置有一压入式风机，压入式风机与入风口通过密封胶进行密封连接，压入式风机与一无极变频器电路连接。
所述的实验装置，其中，上述模拟管道的底部上均匀布置有多个通孔，多个通孔形成排水区域，模拟管道底部上铆接有U型排水槽，该U型排水槽与排水区域相对应；U型排水槽一端与一排水管相连通，该排水管上设置有一过滤器。
所述的实验装置，其中，模拟管道底部设置圆心角为90°-120°的圆弧状固定板，固定板底部上均匀布置有多个能调节高度的支撑柱，使模拟管道的倾斜角度在3°-5°之间。
所述的实验装置，其中，上述模拟管道内顶部设置有至少一根直线滑道，直线滑道上均匀布置有多个固定位，气压风速计、PM2.5颗粒物采样器均通过对应的固定杆设置在对应直线滑道上。
所述的实验装置，其中，上述水雾喷嘴与粉尘发射器均布置在模拟管道的中线上，水雾喷嘴通过高压泵与一储水箱相连通。
所述的实验装置，其中，上述激光多普勒干涉仪均配置有支架，支架包括一滑轨，滑轨的两端分别设置有三脚支撑架，激光多普勒干涉仪设置在对应的滑轨上，两个激光多普勒干涉仪保持同步移动。
所述的实验装置，其中，上述每个间隙上均设置有多个测点，自水雾喷嘴至粉尘发射器方向上，间隙上的测点数量逐步增加。
一种使用所述实验装置的方法，其包括以下步骤：
打开粉尘发射器，使粉尘随风流的形成稳定的粉尘场，与此同时，打开模拟管道后方的水雾喷嘴，形成稳定的雾滴场，当粉尘-雾滴场相碰撞耦合后，通过激光多普勒干涉仪、气压风速计、PM2.5颗粒物采样器分别测定不同情况下不同测点处的雾滴粒径、雾滴速度以及通过雾滴场后的粉尘浓度，并将雾滴粒径、雾滴速度以及通过雾滴场后粉尘浓度的数据传输至数据处理器进行处理。
本发明提供了一种风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降的实验装置及方法，本发明能够模拟大气环境中喷雾场下的风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降的状况，能够测试不同类型喷嘴的降尘效果，为研发高效喷嘴提供技术支持；可以选择性开启喷嘴的数量及位置，为研发高效喷雾设备提供技术支持；能够通过调整喷雾水压，研究喷雾水压对喷雾降尘效果的影响，为不同喷嘴选择合适喷水压力提供技术支持；通过控制喷雾场风速大小，研究风速对喷雾效果的影响；通过改变发射粉尘的粒径范围，为研究不同尘源选择合适的喷雾设备提供技术支持，为风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降提供试验数据，为降尘、控尘提供了理论依据。
附图说明
图1是本发明中实验装置的结构示意图；
图2是本发明中风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降的实验装置及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降的实验装置及方法，如图1与图2所示的，其包括由有机玻璃制成的模拟管道1，其中，该模拟管道1一端设置有用于导入模拟风流的入风口2，另一端设置有出风口3，模拟管道1靠近入风口2处设置有粉尘发射器4，模拟管道1另一端设置有与粉尘发射器4相向布置的水雾喷嘴5，显然的粉尘发射器4与水雾喷嘴5之间的距离可以根据需要进行合理调整，比如距离2m、3m、5m等，在此不再一一赘述。粉尘发射器4产生的尘场随风流向出风口3方向移动，水雾喷嘴5产生的水雾向入风口2方向喷射，水雾与尘场在模拟管道1内形成耦合沉降区域，模拟管道1在与耦合沉降区域对应处均匀布置有多个间隙6，每个间隙6形成激光检测区，模拟管道1两侧分别设置有激光多普勒干涉仪7，激光多普勒干涉仪7能扫描对应的激光检测区；模拟管道1与尘场对应处均匀布置有多个气压风速计8，水雾喷嘴5与出风口3之间的模拟管道1内均匀布置有多个PM2.5颗粒物采样器9；激光多普勒干涉仪7、气压风速计8、PM2.5颗粒物采样器9均与一数据处理器10通信连接，数据处理器10可以采用笔记本电脑、台式电脑等设备。
本发明在三相介质耦合沉降模拟管道1内设置粉尘发射器4、气压风速计8、PM 2.5颗粒物采样器9等设备，粉尘发射器4按照实验要求产生一定浓度和不同粒度范围的粉尘，同时可以采用风机等设备提供相应风速与压力的风流，经粉尘发射器4携带一定量粉尘在模拟管道中流动，部分风流携带粉尘扩散至三相介质耦合沉降模拟管道1中后部，与此同时，水雾喷嘴5向前方喷出雾滴，雾滴与粉尘在管道中部发生耦合沉降，激光多普勒分析仪7和PM2.5颗粒物采样器9以及气压风速计8采集模拟管道1内的相关数据，最后含尘风流从出风口3吹出，通过数据处理器10分析测得的相关数据，从而得到不同实验条件下风流、雾滴及粉尘沉降数据，为科学合理的优化喷嘴、调整喷雾水压、控制风速实现最佳喷雾效果和研发喷雾设备、检测喷雾设备的降尘效果提供可靠的技术支持。
更进一步的，上述入风口2处设置有一压入式风机11，压入式风机11与入风口2通过密封胶进行密封连接，防止漏风；压入式风机11与一无极变频器12电路连接。压入式风机11可通过无极变频器12实现0-1000m3/min风量的任意调节，来测定不同风速调节下对耦合沉降测定实验的影响。
在本发明的另一较佳实施例中，上述模拟管道1的底部上均匀布置有多个通孔，多个通孔形成排水区域，模拟管道1底部上铆接有U型排水槽13，该U型排水槽13与排水区域相对应；U型排水槽13一端与一排水管14相连通，该排水管14上设置有一过滤器15，对含有微米级粉尘颗粒的污水进行净化处理排放，避免了实验造成的环境污染。
更进一步的，模拟管道1底部设置圆心角为90°-120°的圆弧状固定板16，固定板16底部上均匀布置有多个能调节高度的支撑柱17，可以通过调整支撑柱17使模拟管道1的倾斜角度在3°-5°之间，便于模拟管道1底部污水的流动。
在本发明的另一较为优选的实施例中，上述模拟管道1内顶部设置有至少一根直线滑道18，直线滑道18上均匀布置有多个固定位，气压风速计8、PM2.5颗粒物采样器9均通过对应的固定杆设置在对应直线滑道18上。显然的可以设置多根直线滑道18，以及多个气压风速计8、PM2.5颗粒物采样器9，从而可以采集到模拟管道1内同一断面不同位置以及多个断面的相关数据，提高数据采集的全面性。并且气压风速计8、PM2.5颗粒物采样器9可以根据需要固定在直线滑道18上对应的固定位上，可以根据需要调整其不同位置。
更进一步的，上述水雾喷嘴5与粉尘发射器4均布置在模拟管道1的中线上，从而可以使风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降更加充分，当然也可以改变水雾喷嘴5与粉尘发射器4的布置位置，进而获得其他状态下的相关数据。水雾喷嘴5通过高压泵19与一储水箱20相连通，当然，其连通过程中需要对应的连接水管25进行连接，为水雾喷嘴5提供水源。
更进一步的，上述激光多普勒干涉仪7均配置有支架，支架包括一滑轨21，滑轨21的两端分别设置有三脚支撑架22，激光多普勒干涉仪7设置在对应的滑轨上，两个激光多普勒干涉仪7保持同步移动，从而提高了对激光检测区的检测准确率。
而且上述每个间隙6上均设置有多个测点，自水雾喷嘴5至粉尘发射器4方向上，间隙6上的测点数量逐步增加。其具体的如图2所示的，比如，耦合沉降区域在模拟管道中的分布分为渐扩段23和平滑段24。在距模拟管道1前端4.5m-6.5m之间开六条间隔为0.3m-0.4m、宽度为0.02m-0.03m的间隙6，即由间隙6形成的激光检测区，其中需在渐扩段23均匀布置的测点为四列，在平滑段布置的测点为两列，自水雾喷嘴5至粉尘发射器4方向上，间隙6上的测点数量逐步增加，其中靠近水雾喷嘴5一侧的间隙6标号为1，其余依次为2、3、4、5、6，其中1列测点数量为三个，2列测点数量为五个，3列测点数量为七个，4列测点数量为九个，5列和6列测点数量为十三个，激光多普勒干涉仪7在滑轨21与三脚支撑架22的调整下分别对上述五十一个测点进行测定，得出雾滴场雾滴粒径大小的分布数据，获取更为详尽的数据。
本发明还提供了一种使用所述实验装置的方法，其包括以下步骤：
打开粉尘发射器4，使粉尘随风流的形成稳定的粉尘场，与此同时，打开模拟管道1后方的水雾喷嘴5，形成稳定的雾滴场，当粉尘-雾滴场相碰撞耦合后，通过激光多普勒干涉仪7、气压风速计8、PM2.5颗粒物采样器9分别测定不同情况下不同测点处的雾滴粒径、雾滴速度以及通过雾滴场后的粉尘浓度，并将雾滴粒径、雾滴速度以及通过雾滴场后粉尘浓度的数据传输至数据处理器进行处理。能够测试不同类型喷嘴的降尘效果，为研发高效喷嘴提供技术支持；可以选择性开启喷嘴的数量及位置，为研发高效喷雾设备提供技术支持；能够通过调整喷雾水压，研究喷雾水压对喷雾降尘效果的影响，为不同喷嘴选择合适喷水压力提供技术支持；通过控制喷雾场风速大小，研究风速对喷雾效果的影响；通过改变发射粉尘的粒径范围，为研究不同尘源选择合适的喷雾设备提供技术支持，为风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降提供试验数据，为降尘、控尘提供了理论依据。
为了更进一步描述本发明的技术方案，以下列举更为详尽的实施例进行说明。
实验装置包括有模拟管道1内设置有三条直线滑道18并列安装在模拟管道1顶部，水平间距为0.3m-0.4m。模拟管道1由厚度0.01m-0.03m的有机玻璃搭配刚骨架制成，外部轮廓是半径为1.5m的圆形，模拟管道1总长度为10m，模拟管道1圆形模拟管道能更好保证风流的稳定。直线滑道18为8m-10m，用来移动气压风速计8进行风速测定，每个断面按照上、下、左、右、中五个位置相距0.4m-0.6m的距离来安放气压风速计8。利用气压风速计8收集模拟管道5内不同断面和同一断面不同位置的风速，为气载粉尘运移规律的总结提供依据。
更进一步的，模拟管道1内设置五个PM 2.5颗粒物采样器9，通过固定杆安设在直线滑道18上，分别测定距离模拟管道1之出风口3前端2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m处不同断面的粉尘浓度分布情况，每个断面按照上、下、左、右、中五个位置分别安设相距0.4m-0.6m的五个PM 2.5颗粒物采样器9。通过PM 2.5颗粒物采样器9可收集模拟管道5内不同断面和同一端面不同位置的粉尘浓度，为气载粉尘运移规律的确定提供支持。
并且在距模拟管道1之出风口3前端6m-8m处安设一个半径为0.4m-0.5m的圆形板和一个中间杆组成的喷雾结构，在喷雾结构上安设均匀分布的八到十个水雾喷嘴5，中间杆安设均匀分布的三到五个水雾喷嘴5。可按照实验要求控制喷嘴数量实现喷雾，来测定喷嘴个数对降尘效率的影响。水雾喷嘴5通过高压泵19与一储水箱20相连通，为水雾喷嘴5提供水源，储水箱20的半径为1m-2m、高1m-2m，能够为水雾喷嘴5提供不同大小的水压，来测定水压与雾滴场雾滴直径的之间的关系，为实现最佳喷雾效果优选不同大小水压做技术支持。
模拟管道1模拟管道底部每隔0.5m开一个半径为0.01m的圆形圆孔共十六到二十个，使用铆接将8m-10m长的U型排水槽13安设在模拟管道1模拟管道圆形底部，由喷雾降尘产生的污水通过圆孔流入U型排水槽13，并在U型排水槽13后端连接该排水管14，将污水引入过滤器15内，其中过滤器15为保安过滤器，，对含有微米级粉尘颗粒的污水进行净化处理排放，避免实验造成的环境污染。
而且模拟管道1底部设置90°-120°圆弧状，厚度为0.02m-0.03m的铁板来固定住模拟管道1，下端焊接高度为0.4m-0.6m的支撑柱17，并在支撑柱17底部使用调节螺栓来实现高度的调节，使模拟管道1整体有3°-5°的倾斜度，便于模拟管道1底部污水的流动。
更进一步的，在模拟管道1之入风口2安设压入式风机11，并在端面处开一个与风机出口形状相吻合的通风口，并采用密封胶对连接处进行密封，防止漏风。压入式风机11可通过无极变频器12实现0-1000m3/min风量的任意调节，来测定不同风速调节下对耦合沉降测定实验的影响。
而且在距模拟管道1之出风口3前端4.5m-6.5m之间开六到八条条间隔为0.3m-0.4m、宽度为0.02m-0.03m的间隙6，通过安设三脚支撑架22来调整激光多普勒干涉仪7测定高度，并将该激光多普勒干涉仪7安设在长度为2m-4m的滑轨21上，便于按照图2所示的测点使用激光多普勒干涉仪7对雾滴粒径、速度进行测定。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (5)
1.一种用于风流-雾滴-粉尘三相介质耦合沉降的实验装置，其包括由有机玻璃制成的模拟管道，其特征在于，该模拟管道为圆形模拟管道，该模拟管道一端设置有用于导入模拟风流的入风口，另一端设置有出风口，模拟管道靠近入风口处设置有粉尘发射器，模拟管道另一端设置有与粉尘发射器相向布置的水雾喷嘴，粉尘发射器产生的尘场随风流向出风口方向移动，水雾喷嘴产生的水雾向入风口方向喷射，水雾与尘场在模拟管道内形成耦合沉降区域，模拟管道在与耦合沉降区域对应处均匀布置有多个间隙，每个间隙形成激光检测区，模拟管道两侧分别设置有激光多普勒干涉仪，激光多普勒干涉仪能扫描对应的激光检测区；模拟管道与尘场对应处均匀布置有多个气压风速计，水雾喷嘴与出风口之间的模拟管道内均匀布置有多个PM2.5颗粒物采样器；激光多普勒干涉仪、气压风速计、PM2.5颗粒物采样器均与一数据处理器通信连接；上述水雾喷嘴与粉尘发射器均布置在模拟管道的中线上，水雾喷嘴通过高压泵与一储水箱相连通；
通过激光多普勒干涉仪、气压风速计、PM2.5颗粒物采样器分别测定不同情况下不同测点处的雾滴速度、雾滴粒径、以及通过雾滴场后的粉尘浓度，并将雾滴速度、雾滴粒径以及通过雾滴场后粉尘浓度的数据传输至数据处理器进行处理；
上述模拟管道的底部上均匀布置有多个通孔，多个通孔形成排水区域，模拟管道底部上铆接有U型排水槽，该U型排水槽与排水区域相对应；U型排水槽一端与一排水管相连通，该排水管上设置有一过滤器；
模拟管道底部设置圆心角为90°-120°的圆弧状固定板，固定板底部上均匀布置有多个能调节高度的支撑柱，使模拟管道的倾斜角度在3°-5°之间；
上述激光多普勒干涉仪均配置有支架，支架包括一滑轨，滑轨的两端分别设置有三脚支撑架，激光多普勒干涉仪设置在对应的滑轨上，两个激光多普勒干涉仪保持同步移动。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，上述入风口处设置有一压入式风机，压入式风机与入风口通过密封胶进行密封连接，压入式风机与一无极变频器电路连接。
3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，上述模拟管道内顶部设置有至少一根直线滑道，直线滑道上均匀布置有多个固定位，气压风速计、PM2.5颗粒物采样器均通过对应的固定杆设置在对应直线滑道上。
4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，上述每个间隙上均设置有多个测点，自水雾喷嘴至粉尘发射器方向上，间隙上的测点数量逐步增加。
5.一种使用如权利要求1所述实验装置的方法，其包括以下步骤：
打开粉尘发射器，使粉尘随风流的形成稳定的粉尘场，与此同时，打开模拟管道后方的水雾喷嘴，形成稳定的雾滴场，当粉尘-雾滴场相碰撞耦合后，通过激光多普勒干涉仪、气压风速计、PM2.5颗粒物采样器分别测定不同情况下不同测点处的雾滴粒径、雾滴速度以及通过雾滴场后的粉尘浓度，并将雾滴粒径、雾滴速度以及通过雾滴场后粉尘浓度的数据传输至数据处理器进行处理。
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