人造龙卷风控制抽吸.doc

人造龙卷风控制抽吸第25卷第l期1996年3月,钚超,.r,r?z/中国矿业大学人造龙卷风控制抽吸*.7.锣橘要分析7人造龙卷风的开j成机理和条件,通过大量而系统的试验,证实7人造龙卷风控制抽吸设想的可行性,并且研究7影响该抽吸流场的主要因素以及它们之间的定量关系.关键词人造龙卷风,机理,通风除尘,控制抽吸中图分类号TD714.43在通风除尘,有害气体排放等工程领域中,都离不开抽吸,即用风机先将有害物捕捉,然后再集中处理.但到目前为止,如何提高吸口的抽吸能力这一问题一直困扰着各生产部门和有关科研人员,虽然采用了各种各样的方法和措施0.,但收效并不明显.特别是当吸口不能接近有害物时,抽吸效率就更低,有时不得不听任有害物在一定范围内扩散.即便是能够接近有害物,普通吸口也不能进行定向控制抽吸,在吸入有害物的同时,大量的新鲜空气也被吸入,这无疑会增加抽吸风机及后续处理设备的负担和能耗.利用射流作用下的吸气流场E虽然在一定程度上提高了抽吸能力,但因它的控制能力较小,当粉尘的逃逸速度或有害气体的浮升速度较大时,抽吸效率会大大降低.人造龙卷风控制抽吸的设想一为防止有害物的扩散和进行远距离控制抽吸提出了一种新的理论和方法.本文通过大量试验,不仅有力地支持了这一设想,还找到了控制这种抽吸流场的主要因素以及它们之间的定量关系,并提出了相应的计算依据.1人造龙卷风的生成机理和条件尽管人们对自然龙卷风的生成,特别是产生旋转的机理尚未完全清楚,但已认识到龙卷风生成必须具有两个条件:一是中部的上升气流,二是水平方向的剪切力E3.只要在抽吸流场中创造出上述两个条件,再加上一些可控的人工诱导因素,就可形成类似于自然龙卷风的旋风抽吸流场.第一个条件可利用抽吸气流来形成,但需采取有效措施使吸气流的轴向作用距离增大.为达到这一目的,就必须减少除前方以外四周进入吸口的气流量.为此可以采用射流屏蔽的办法,这样就可在轴线方向上形成一股相对强劲的吸气流.第:=个条件可利用空气自身的粘性来形成.在屏蔽射流中加上旋转速度,形成旋转的屏蔽射流,在粘性切应力的作用下就可诱使吸气流产生旋转.自然龙卷风类似于三维点涡流动,但在龙卷风的底部则接近于平面点涡.由流体力学可*煤炭科学基盘资助项目*张景松.人选龙卷风形成机理煤炭(待发表)收稿日期19941025中国矿业大学第25卷知,平面点涡是由外围的自由涡和中部的固体涡组成的.所以,仅有以上两条件是不够的.要产生稳定的龙卷风还必须控制有关因素,使得在一定范围内,抽吸流场在轴向平面上的流动符合或接近二维点涡.即在流场中产生一个旋涡生成区.旋涡生成区的特点是全部流体都具有向中部流动的趋势;在该区域的外部,流体必须有旋转运动.2模型试验结果及分析本文设计的试验装置如图l所示.该装置主要包括抽吸风机1,光圈阀2,孔板流量计3,压送风机4,旋流发生器5,有机玻璃巷遭6和发烟口7.吸气口直径D一134mm.发烟口的距离一1400mm,等于吸口直径试验的目的是寻找人造龙卷风的控制因素平|l它们之间的定量关系.为此,先进行r大量观察性试验.结果发现,当喷口倾角一6O.8o.,喷射速度与半径方向的夹角一喷射周角卢>20.,喷口宽度6412mm时.均能通过调节喷射流量Q与抽吸流的10.4倍.一Ilfj,图1试验装置量Q之比Q(一Q/Q)来获得旋转强度和稳定程度不同的旋风.图2为几张试验照片,其中图2c和图2d是效果最佳时的情形,图2a是没有射流即普通吸口抽吸时的情形.罔2h是旋涡强度较弱时的情形.JI;证(cj强硅K(d】益旋风图2试验照片为寻找最佳流量比与其它参数之间的定量关系,还进行了大量的定量试验并发现了一些重要现象.下面分别加以介绍并分析它们产生的原因.第l期张景世等:人造龙卷风控制抽吸31)为形成稳定的旋涡,射流必须能够到达壁面,形成一个完整的风幕,将吸13.前,后空间隔断.但射流中心处的速度在临近壁面时不能过大,也不能过小,实测一0.30.8m/s效果较好这表现为当其它条件一定时,Q过大或过小时均不能形成完整的旋涡生成区,因而也就不能诱导出旋涡.Q过小时,射流刚喷出就被吸气流卷吸而不能到达壁面,此时的流谱如图3a所示.Q过大时,射流到达壁面时的径向速度较大,与壁面碰撞后产生近壁回流,同时也使吸口前方近壁处的轴向速度增大.迫使旋涡牛成变窄或失.此时的流如阿3b所示.(a)对小图3理想流谱能够生成稳定旋涡的流量比为Qo.3o.65.可以断定,只有当射流以一定的速度和方向到达壁面时,才能有助于旋涡生成.试验表明.只有当旋涡生成区长度L与工之比L/L=0.30.6时才能生成旋涡.生成旋涡时的流谱应具有图4所示的形状.2)当其它条件一定时,随b的增大,生成旋涡的流量比也需增大.这一现象与前面的分析是吻合的.因b增大时,要使到达壁面的速度一定.就需增加喷射流量.(b)过大I呈4最佳流谱3)其它条件一定时,随0的减小,Q稍需增大.这一现象也可用1)的分析来解释.因减小时,射僦到达壁面时的路程就增加.另外,8减小时.旋涡中心负压也稍有增加,这也使得射流中心线被压缩.上述因素都要求增大喷射流量以维持风幕的完整.另外,口减小时.所生成旋涡的强度有所增加.试验中还发现,喷射周角p受b和的影响很大.当叶片安装角一定时,随b从4mm增至12mm.卢从3l.变到近jo.这一现象给我们一个很重要的启示:在旋转射流中.卢是一个很重要的参数,但并非刻意去控制的参数.对卢的控制可以通过6来间接达到.另外.卢随0的减小也稍有增大.还有一个重要的现象是当b<4mm和Q<0.05m/s时,都很难形成稳定的旋涡.3最佳流量比根据前述试验结果及分析.忽略重力时,该旋风流场的物理方程可写成4中国矿业大学第25卷f(P,D2,Q,p,6,Dl,B,L,Q)=0,(1)式中,B为巷道宽度;P.分别为流体的密度和动力粘度;Dz表示喷口外径?取P,D和Q为工程变量,将其无量纲化可得F(p,B,L.)一.cz根据前述试验结果及分析,式(2)的所有变量中,卢和L/D对该流动的影响相对较弱?所以当D/一定时,由式(2)可得出最佳流量比的定性方程石=F(.鑫,).根据图5所示的试验结果及试验点的分布规律,可写出如下定量关系式一K()(),c式中,K是由试验确定的常数;是与喷口倾角和巷道断面尺寸有关的系数;指数和也由试验确定.图5晟佳流量比由简单的几何关系可知,口减小时,射流中心到达侧壁所经过的路程就越长.又根据前面的分析,只有当射流中心以一定的速度到达壁面时.才能形成旋涡.而射流中心速度沿射程是衰减的,所以当6一定时,随减小,就需增加射流量.据此可得如下关系K一K(),厂式中,D为巷道当量直径,D=,/等(A为巷道断面积.对无限空间,Da可视为=0时的直径);系数K.和指数由试验确定.将式(5)代八式(4)并将系数Kt和K.合并戚K,有=K()?(?().根据试验结果并用最小二乘法可确定出K=0.00671m=0?213m=0?415一I.043.最后可得最佳流量比为()?(.?().mmm0II第1期张景梧等:人造龙卷风控制抽吸5根据本文的试验结果,式(7)的适用范围是:0=60.80.,b>4mm,Q>0.05m/s,D/D一1.82.取b=8mm,用式(7)计算的结果如图5中的曲线所示.4结束语通过人工方法可以成功地诱导出作用范围和旋转强度均能控制的龙卷风.该旋风形成的条件是:有旋转的喷射气流和普通的抽吸气流;在流场中存在旋涡生成区.为实现以上条件,应对有关参数进行控制.当喷射周角p>20.,喷口宽度b>4mm,喷射流量Q>0.05m./s,流量比Q一0.30.65时,由式(7)确定的流量比为最佳值.在这一流量比下所形成的龙卷风最稳定,强度也最大.人造龙卷风具有十分强劲的抽吸能力,利用这样的旋风流场,可以对粉尘(特别是呼吸性粉尘)或有害气体进行远距离控制抽吸.这一理论和技术可广泛用于工作环境和生活环境的净化工程中+如通风除尘,油烟或有害气体控制排放,地面清扫,物料抽吸输送等.在井下掘进巷道(包括炮掘和综掘)粉尘防治方面,我们已做了大量模拟试验t同样取得了十分满意的结果.参考文献1孙一坚,庄达民,陈在康.吹吸气流隔断局部空间的研究.空气动力学,1989,(1):59662庄选民等.具有自由边界的吹吸气流的数值解法.空气动力学,1988,(3)2792913林豹,于广荣.射流作用下吸气流动特性的研究.通风除尘,1990,(3):l74王乎,韩振兴,朱墨娴等译.张远君校编.流体力学大垒.北京;北京航空航天大学出版社,1991.520524SuctionControlledbyManmadeHurricaneZhangJingsong(DepartmentofMiningMechanicalEngineering.CUMT.Xuzhou221008)ZhouShining(DepartmentofMiningEngineering,CUMTtXuzhou221008)AbstractThemechanismandconditionsoftheformationofman-madehurricaneareana1yzedinthispaper.Theideaofcontrolledsuckingb