·200· 工程科学学报，第39卷，第2期 滴，最终在0.1s时与液滴接触，此后固粒2与液滴成 液滴直径取4mm,惯性碰撞捕获效率理论值为25%. 为一个整体，发生了聚合行为.同时圆圈所示固粒3 0.9m 在液滴尾流的作用下，逐渐靠近液滴，但是在0.1s时， 0.8 发生了轨迹的偏离，脱离的液滴尾流的控制，最后远离 ◆曲线1 0.7 4一曲线2 液滴。 0.6 尾流捕获也可分解为：(1)夹杂物上浮时进人到 液滴的尾流中；(2)夹杂物受尾流影响逐渐靠近液滴 0.4 与之接触：(3)固粒在液滴表面上滑移，与液滴一起上 0.3 浮3个单元过程.但是有些颗粒会在进人尾流后，最 0.2 终又脱离液滴，如图中圆圈所示的固粒3 0.1 3液滴去除夹杂的效率 4 6 8 10 依靠液滴捕获固粒，实际上是依靠无数个液滴构 液滴直径mm 成的液滴群来捕获.由于邻近液滴的相互作用、固粒 图5理论计算的捕获效率和液滴直径的关系 的相互作用以及固粒在液滴表面的滑移、反弹和反流 Fig.5 Relationship of capture efficiency and droplet diameter by theoretical calculation 等因素影响，捕获过程非常复杂，捕获效率的计算更加 复杂. 3.1.2截留捕获 3.1理论公式计算捕获效率 本研究考虑拦截效应，对于围绕球体势流的截留 3.1.1惯性碰撞 捕获效率可按下式计算： 对于单个液滴而言，惯性碰撞捕获的颗粒数与其 :=1+-+发 (2) 掠过区域内颗粒总数之比可称为惯性碰撞捕获效率， 单个液滴颗粒运动特征的参数可以采用斯托克斯数S 对于围绕球体黏性流的截留捕获效率可按下式 (也称为惯性碰撞参数)描述.Wong等[2提出喷淋塔 计算： 内气体中单个液滴除尘的效率公式，本研究借鉴了这 =(0+2-1+)+2d+时 1 (3) 一公式. =(7广 k=d/D,本研究实测的流体速度小于0.1m·s1, (1) 因此用黏性流假设下的截留效率计算式较合理. 其中：η，为惯性碰撞捕获效率：k为液滴捕获效率修正 只考虑惯性碰撞效率作曲线1，考虑惯性碰撞效 因子：=9pd1m-ul,为斯托克斯数：C为库宁汉修 率和截留效率应用叠加原理作图5的曲线2.从图中 9guD 可以看出，叠加了截留捕获后，效率值有所增长，但是 正系数，本例取1；p为固粒密度，kg·m3;d为固粒直 增长并不明显，尤其当液滴的直径较大时.因此，可以 径，m;为液滴速率，ms;u为固粒速率，ms;g为 得到惯性捕获在液滴和固粒聚合中占据主导地位的 重力加速度，ms2;μ为流体黏度，Pa·s;D为收集单 结论 元体液滴的特征长度，m. 3.1.3尾流捕获 斯托克斯数S与流体密度、流体动力黏度、固粒 对于液滴通过尾流捕获固粒的机理，是参考气泡 和液滴的直径、固粒和液滴的相对运动速度有关.对 去除夹杂机理，同时考虑到液滴在流体内与气泡具有 于一定的溶液而言，流体密度、流体动力黏度都是固定 类似的性质从而得到的结论.在实验现象的观察中， 的.在这两者一定的条件下，固粒直径越大，液滴的尺 确实也发现了有类似液滴尾流捕获固粒的现象.但是 寸越小，固粒和液滴的相对运动速度越快，斯托克斯数 在本实验的条件下，这种情况极少出现.所以在本研 越大.斯托克斯数越大，惯性碰撞捕获效率η也就越 究中暂时不考虑尾流捕获的因素，这方面的研究会成 大.文献[13]表明，实验测得的捕获效率比理论值要 为下一步的重点工作，通过实验回归出尾流捕获效率 低，修正因子k取0.8.本实验中，流体密度取1100kg· 公式. m3,流体动力黏度取1.12×104kgs·m2,固粒的直3.2实验结果计算捕获效率 径取0.5mm,固粒和液滴的相对运动速度为0.01~ 本实验观测表明，在图3圆圈内4mm液滴捕获3 0.1ms,取0.05ms,将数据代入可得到惯性碰撞 个固粒，其掠过区域内颗粒数为6个，捕获效率50%； 捕获效率和液滴直径的关系，见图5.图5中曲线1描 而方框内另外2个4mm液滴的捕获效率分别为3/9 述了只考虑惯性碰撞时不同直径液滴的捕获效率.如 和1/8，取捕获数与掠过区域内颗粒总数之比作为平工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 滴,最终在 0郾 1 s 时与液滴接触,此后固粒 2 与液滴成 为一个整体,发生了聚合行为. 同时圆圈所示固粒 3 在液滴尾流的作用下,逐渐靠近液滴,但是在 0郾 1 s 时, 发生了轨迹的偏离,脱离的液滴尾流的控制,最后远离 液滴. 尾流捕获也可分解为:(1) 夹杂物上浮时进入到 液滴的尾流中;(2) 夹杂物受尾流影响逐渐靠近液滴 与之接触;(3) 固粒在液滴表面上滑移,与液滴一起上 浮 3 个单元过程. 但是有些颗粒会在进入尾流后,最 终又脱离液滴,如图中圆圈所示的固粒 3. 3 液滴去除夹杂的效率 依靠液滴捕获固粒,实际上是依靠无数个液滴构 成的液滴群来捕获. 由于邻近液滴的相互作用、固粒 的相互作用以及固粒在液滴表面的滑移、反弹和反流 等因素影响,捕获过程非常复杂,捕获效率的计算更加 复杂. 3郾 1 理论公式计算捕获效率 3郾 1郾 1 惯性碰撞 对于单个液滴而言,惯性碰撞捕获的颗粒数与其 掠过区域内颗粒总数之比可称为惯性碰撞捕获效率, 单个液滴颗粒运动特征的参数可以采用斯托克斯数 St (也称为惯性碰撞参数)描述. Wong 等[12] 提出喷淋塔 内气体中单个液滴除尘的效率公式,本研究借鉴了这 一公式. 浊1 = k ( St St ) + 0郾 7 2 . (1) 其中:浊1为惯性碰撞捕获效率;k 为液滴捕获效率修正 因子;St = C籽d 2 |v - u | 9g滋D ,St 为斯托克斯数;C 为库宁汉修 正系数,本例取 1;籽 为固粒密度,kg·m - 3 ;d 为固粒直 径,m;v 为液滴速率,m·s - 1 ;u 为固粒速率,m·s - 1 ;g 为 重力加速度,m·s - 2 ;滋 为流体黏度,Pa·s;D 为收集单 元体液滴的特征长度,m. 斯托克斯数 St 与流体密度、流体动力黏度、固粒 和液滴的直径、固粒和液滴的相对运动速度有关. 对 于一定的溶液而言,流体密度、流体动力黏度都是固定 的. 在这两者一定的条件下,固粒直径越大,液滴的尺 寸越小,固粒和液滴的相对运动速度越快,斯托克斯数 越大. 斯托克斯数越大,惯性碰撞捕获效率 浊 也就越 大. 文献[13]表明,实验测得的捕获效率比理论值要 低,修正因子 k 取 0郾 8. 本实验中,流体密度取 1100 kg· m - 3 ,流体动力黏度取 1郾 12 伊 10 - 4 kg·s·m - 2 ,固粒的直 径取 0郾 5 mm,固粒和液滴的相对运动速度为 0郾 01 ~ 0郾 1 m·s - 1 ,取 0郾 05 m·s - 1 ,将数据代入可得到惯性碰撞 捕获效率和液滴直径的关系,见图 5. 图 5 中曲线 1 描 述了只考虑惯性碰撞时不同直径液滴的捕获效率. 如 液滴直径取 4 mm,惯性碰撞捕获效率理论值为 25% . 图 5 理论计算的捕获效率和液滴直径的关系 Fig. 5 Relationship of capture efficiency and droplet diameter by theoretical calculation 3郾 1郾 2 截留捕获 本研究考虑拦截效应,对于围绕球体势流的截留 捕获效率可按下式计算[14] : 浊2 = (1 + k) 2 - 1 1 + k . (2) 对于围绕球体黏性流的截留捕获效率可按下式 计算: 浊3 = (1 + k) 2 - 3 2 (1 + k) + 1 2(1 + k) . (3) k = d / D,本研究实测的流体速度小于 0郾 1 m·s - 1 , 因此用黏性流假设下的截留效率计算式较合理. 只考虑惯性碰撞效率作曲线 1,考虑惯性碰撞效 率和截留效率应用叠加原理作图 5 的曲线 2. 从图中 可以看出,叠加了截留捕获后,效率值有所增长,但是 增长并不明显,尤其当液滴的直径较大时. 因此,可以 得到惯性捕获在液滴和固粒聚合中占据主导地位的 结论. 3郾 1郾 3 尾流捕获 对于液滴通过尾流捕获固粒的机理,是参考气泡 去除夹杂机理,同时考虑到液滴在流体内与气泡具有 类似的性质从而得到的结论. 在实验现象的观察中, 确实也发现了有类似液滴尾流捕获固粒的现象. 但是 在本实验的条件下,这种情况极少出现. 所以在本研 究中暂时不考虑尾流捕获的因素,这方面的研究会成 为下一步的重点工作,通过实验回归出尾流捕获效率 公式. 3郾 2 实验结果计算捕获效率 本实验观测表明,在图 3 圆圈内 4 mm 液滴捕获 3 个固粒,其掠过区域内颗粒数为 6 个,捕获效率 50% ; 而方框内另外 2 个 4 mm 液滴的捕获效率分别为 3 / 9 和 1 / 8,取捕获数与掠过区域内颗粒总数之比作为平 ·200·