文摘

除尘措施通过水性媒体是一个重要的技术手段,这对工业过程的安全性和环境保护具有重要意义。为了提高利用率的水滴,水滴的动态传播过程研究了影响煤表面的耦合的水平集和volume-of-fluid方法(CLSVOF)方法。二进制扩散面积计算的方法来描述润湿效果。无量纲传播面积单位体积(DSAPUV)提出了代表利用水滴。结果表明,液滴传播断裂过程可分为三个阶段:初始变形,裂缝蔓延时期,稳定的时期。粒度时没有被改变,无量纲的面积与速度不增加持续蔓延,但存在一个最佳的临界速度撞击,这是17米/秒的最大传播无量纲面积达成的水滴直径30μm和19 m / s达成的最大传播无量纲面积液滴直径50μm。液滴大小成正比的无因次传播区域。最大的无量纲传播领域的水滴都达到传播期间,随着粒子大小,所需的时间也逐渐增加。发现利用液滴的液滴大小的影响是显而易见的,当它们的大小范围从10μ米到50μ米,速度范围从15米/秒到20 m / s。

1。介绍

煤尘威胁着煤矿的安全生产和环境保护。它就会燃烧和爆炸,造成极其严重的事故和损失(1- - - - - -5]。另一方面,煤尘矿区对空气质量造成负面影响,导致严重的健康危害。接触煤尘的副作用在操作过程中对矿工的健康一直被认为是一个重要的问题。在过去的2年,肺部疾病在煤矿工人在几个国家(又死灰复燃6- - - - - -11]。此外,煤尘颗粒也将加强设备的磨损,降低其可靠性和准确性。因此,抑制和预防煤尘是非常重要的。

是否在露天煤矿地下煤矿,喷涂水性材料是除尘措施的重要手段和控制(12- - - - - -15]。这项技术是安全生产和环境保护具有重要意义。后滴影响煤表面,它可以传播,收回,分手,具有明显的动态特性。然而,现有的研究煤的润湿主要观察静态润湿特征或缓慢滴在煤表面的润湿特征。在此基础上,滴在煤表面的润湿性是评估。常用的评价方法主要包括悬滴法、沉降法、毛细上升的方法,渗透方法,等等。

悬滴法是应用最广泛的方法,形成三相接触慢慢滴液滴在平板电脑(16- - - - - -18]。接触角小于90°意味着高润湿性,而接触角大于90°对应于低润湿性。程et al .,周et al .,和李等人分析了煤的润湿剂和优化与接触角为评价指标,取得了良好的除尘效果19- - - - - -21]。陈等人进一步优化和改进的液滴的方法并提出了volume-length(重要的)方法测量接触角。重要的方法忽略了渗透蒸发或对测量的影响,可以测量初始接触角和最大接触角(22]。程等人发现,煤尘的接触角增加而增加的红外透射率。透光率超过30%时,接触角很大和稳定23]。Gui等人通过实验对煤尘润湿性的影响因素进行了研究,发现接触角并不是决定性因素评估表面活性剂(24]。沉积的方法间接地描述所有定量的润湿性通过测量所需的时间尘埃落定到测试的解决方案或通过测量尘埃颗粒沉浸在水的质量分数从薄灰尘层撒在溶液表面在一定时间。沉降实验影响粒度分布和喷粉的均匀性。因此,有必要重复三至五次提高精度(25,26]。毛细上升测试方法评估液体的润湿性利用毛细上升在试管中含有尘埃颗粒(27- - - - - -29日]。在这种方法中,评价指标是解决方案所需的时间单位高度渗透或单位时间内渗透的高度。解决粉末床的渗透速率是衡量渗透实验(30.]。

它可以观察到,水性材料的润湿性研究煤炭主要是静态和缓慢的润湿,而动态润湿的研究更少。有明显的限制使用这些方法来评估过程中液滴的润湿性影响煤表面。在工程实践中,液滴的行为影响煤表面除尘过程中广泛存在。水滴的动态行为是极其复杂的。有明显的动态过程,如传播、收缩和反弹。液滴逐渐蔓延的时间尺度和渗透在煤表面远远大于液滴之间的接触时间和煤的影响,也就是说,之前的时间滴反弹,飞溅,或破坏煤表面。考虑相关的动态因素,这种影响的方法能更好地反映实际的润湿特性和应用效果。

本文的数值模拟方法,以及水平集和volume-of-fluid方法(CLSVOF)是用于研究液滴后影响煤表面的润湿现象在不同条件下,及其动态扩散行为进行了分析。一个新的评价指标”无量纲传播面积单位体积(DSAPUV)”提出了代表利用水滴。本研究有助于理解动态润湿过程当滴影响煤表面的利用率和优化煤表面粉尘抑制滴。

2。模拟方法和验证

2.1。模拟方法

的形态学microdroplet CLSVOF追踪的方法,这是苏斯曼等人提出的。31日,32]。方法结合的良好保护volume-of-fluid(受到)方法与水平集的优点(LS)方法处理本地接口的尖角。LS和受到的耦合方法保证质量守恒,捕获自由表面的能力,正确计算表面张力的力量。

在受到方法中,相界面被计算体积分数在每个元素(33- - - - - -35]。不同的流体组件共享一个组动量方程。液中各组分的体积分数是记录在每个计算单元。瞬态n - s方程解决了使用一个固定网格有限差分公式。根据质量守恒定律,连续性方程所示 在哪里是时间,是速度矢量,是液相的体积分数。 意味着气相在网格中, 意味着网格充满液相,和 意味着网格中的接口。

动量方程所示 在哪里是时间,是速度矢量,的压力,是密度,动态粘滞度,重力加速度,是体积力。

接口的位置和时间演化方程是由LS方法,如图所示 在哪里流场的速度。

方程(3)是对流输运方程的函数 ,这是改写成下列形式见方程(4)为了变换离散解决方案很容易: 在哪里距离函数被定义为液体和气体之间的接口,然后呢是材料在水平集方法。接口是一组零电平, 表示为 在两相系统中。有三个条件中所示 在哪里是距离的接口。 意味着在两个阶段的接口, 意味着在液相 意味着在气相。所有可能的接口指向指定的距离最小化,以初始化函数。的法向量和曲率计算所需的界面表面张力可以估计方程(6)和方程(7),分别。

数值不稳定造成大密度和大粘度的比值在界面附近避免了亥维赛函数引入光滑界面的密度和粘度。亥维赛函数所示 在哪里 (是网格大小)。所示的密度和粘度方程(9)和方程(10),分别。

分段线性几何重建的想法是用来重建的接口,和线段是用来取代接口在一个网格。所不同的是,接口的法向量计算的水平集函数。受到方法用于解决网格中的体积分数和重建网格中的接口。

压力速度耦合是通过庇索算法。离散化的动量通量项是通过一个二阶逆风计划,而对于离散化时,一阶隐式方法是遵循动量方程。快速算法是用来解决水平集方程。体积分数方程的显式地在每个时间步的开始,使用速度值推导出在前一个时间步作为输入。

2.2。参数设置

使用水喷雾时,考虑的主要问题之一是液滴的大小。除尘措施,水滴的大小应该是一个合适的范围内。之前的研究表明,在除尘实践中,液滴粒径在10的范围μ~ 150μ米已经被证明是最有效的(36]。针对这一点,考虑到粉尘抑制效率和喷雾成本,10μ米,30μ50米,μm液滴大小的选择。

模拟环境压力是最理想的标准大气压力,和外部干扰的影响气流的影响过程是不考虑。相关参数设置如表所示1。

摘要无量纲面积(DSA)传播,用于描述传播和润湿煤表面上的水滴。计算中所示 在哪里是滴在煤表面的扩散区;是初始液滴的表面区域。

当液滴与不同粒径煤表面,比较的区域无法解释的利用率的飞沫传播。然而,无因次传播面积单位体积(DSAPUV)特征润湿效应反映了水滴的利用率,有利于更准确的成本控制。因此,无量纲传播面积单位体积(DSAPUV)提出及其计算所示 在哪里DSAPUV和是滴体积。

2.3。实验验证

验证模型的合理性和可靠性的仿真方法,高速相机(VEO340s)用于实验研究水滴的动态传播过程影响煤表面。在实验中,水滴被赶出一根针由蠕动泵。当针流1毫升/分钟,水滴直径是2毫米。液滴垂直影响煤表面的形式自由落体。通过修改针和煤表面之间的距离,速度可以调节的影响。液滴的速度影响煤表面1 m / s。图1显示了液滴的变形过程后影响煤表面获得的实验和数值模拟。它可以发现两个基本上是相同的。

无因次传播面积随时间的变化提出了通过实验和仿真图2。仿真与实验结果有很好的一致性。小错误是由于啮合仿真方法和模型,不影响液滴的变形过程的分析影响煤表面。因此,该模拟方法可用于本研究的工作。

3所示。结果与讨论

3.1。冲击速度对传播效果的影响

图3(一个)显示无量纲面积(DSA)传播的变化与无因次时间在液滴的影响( )在煤表面速度不同。它可以发现,当 ,最大的DSA是4.33。随着速度的增加,最大DSA逐渐增加。当 ,的最大DSA液滴达到5.78。这是因为初速度越大,动能越大滴,,越容易传播37,38]。然而,当速度逐渐增加,所需无量纲时间达到最大DSA先增加然后减少。这是因为速度越高,越动能滴,和无量纲时间越长动能完全消散的传播过程。然而,当速度进一步增加,液滴分裂,而且每个subdroplet传播的同时,动能耗散是加速和无因次所需的时间达到最大的DSA是减少。

从图可以看出3 (b),当液滴直径为30μm和15米/秒之间,17米/秒,最大DSA从9.86增加到11.06;当是17米/秒至20米/秒,最大DSA从11.06降低到10.50。所以,当 ,最大的DSA是最大的。DSA第一速度增加而增加。它到达临界最大之后,它随速度的增加而减小。通过分析仿真数据,它也可以发现,当15米/秒之间,20米/秒,最大达到DSA在传播过程中。因为动能在早期阶段主要是消耗在传播过程中,在达到最大的传播领域,继续收缩振荡在随后蔓延时期(39]。剩余的动能不断消散,所以不可能得出一个更大的地区传播。

从图可以看出3 (c),当液滴直径50μm和15米/秒之间,19米/秒,最大DSA从10.59增加到12.09;19米/秒之间,20米/秒,最大DSA是减少到10.52。所以,当 ,最大的DSA是最大的。DSA第一速度增加而增加。它达到临界最大值后随速度的增加而减小。50的传播和振荡的过程μ是更重要的比30 m滴μm滴。这是因为液滴直径50μm质量更大,更多的初始动能和高色散骨折发生。每个分开subdroplet继续振荡和传播的协同作用下剩余动能,表面能和粘性耗散40]。当subdroplets的动能耗尽,subdroplets开始收回在表面张力的作用下,subdroplets越多,较小的DSA。的最大DSA显著高于30μm滴,传播无量纲时间相对较大。

总之,当液滴的尺寸是10μ米,最大达到DSA当影响速度20米/秒;当液滴大小是30μ米,最大达到DSA是17米/秒速度的影响;当液滴大小是50μm,影响速度时达到最大DSA 19米/秒。可以看出,在除尘措施的做法,液滴尺寸和速度的影响应该优化和匹配,以达到最好的润湿效果。

3.2。液滴尺寸对传播效果的影响

为了进一步研究液滴在煤表面的扩散行为,水滴直径在10μ米,30μ50米,μ在同一速度进行了模拟和分析。图4显示了DSA随着时间的演变与不同大小影响煤表面水滴时在15米/秒速度的影响,17米/秒,分别和20 m / s。它可以发现在同一速度,所需的时间达到最大的DSA和扩散面积增加随着液滴直径的增加。这是因为在同一速度、液滴尺寸越大,总动能越大,越困难的液滴表面张力和粘性力抑制inertia-dominated传播行为后与煤表面发生碰撞。

如图5,水滴直径10μ米第一后扩散和蔓延成一个圆盘形状的影响。由于更大的速度滴的外缘,中心速度越小,液滴将从中心形成液环。在这个过程中,部分动能转化为势能变形和摩擦耗散。当液体的外缘的传播速度环降低为0,液环开始收缩,最后收敛到液滴粘滞力和表面张力的作用下。液滴冲击速度的逐渐增加,断裂趋势变得更强。冲击速度是20 m / s时,液滴分裂成多个液体环并最终形成多个subdroplets。

当液滴直径30μm,传播和断裂现象越来越明显,如图6。滴影响煤表面后,很快地把它拆分成多个液体环。然后,液体环分成多个subdroplets。这是由于液滴体积更大,表面张力不能拉回滴大大在煤表面。表面张力的作用下subdroplets收回。最后,subdroplets被安排在绕成一圈的形状。液滴的初始速度越大,液环是由碎片越多,越subdroplets处于稳定状态。形状变化的水滴直径50μm影响煤表面类似于液滴的直径30μ米,由于更大的质量,更多的整体动能和subdroplets破碎产生的。

3.3。液滴利用率分析

图7显示无量纲扩散面积单位体积的变化(DSAPUV)在不同条件下随着时间的推移。可以看出,液滴直径的DSAPUV 50μm是最大的。此外,以同样的速度,当传播趋于稳定,粒径的增加会导致一个明显的增加,液滴的利用率。然而,液滴利用率的提高是相对有限的小的增加速度。这是因为液滴的动能成正比的3次方的液滴尺寸和速度的2次方。液滴尺寸越大,初始动能的增加越明显。最后,液滴可以达到更好的润湿效果和更高的液滴利用率。当粒子尺寸都是一样的,速度仅略有增加,增加整体动能很小,所以利用率的提高不明显。

根据液滴利用率的变化趋势的影响,传播过程可以分为三个阶段:初始变形,振动扩散时期,稳定的时期。初始变形期间,飞沫传播和变形迅速从球面到磁盘。与此同时,DSAPUV也迅速增加,液滴利用率显著增加。振荡周期的扩散、液环的边缘速度逐渐降低,因为摩擦耗散,和液体环扩张水平与内部收缩。这将导致DSAPUV减少和降低液滴的利用率。当液环收缩在某种程度上,表面张力之间的差异和液环的内部和外部的速度是不够的液环继续收缩。在振荡中、晚期扩散,液环断裂成subdroplets。惯性力和剩余动能使subdroplets再次蔓延。目前,DSAPUV显著增加,液滴利用率增加了。进入稳定时期时,液滴的内部动能几乎完全消退,传播范围趋于稳定。 Currently, the fluctuation of DSAPUV is small, and the droplet utilization rate tends to be stable.

4所示。结论

摘要润湿行为的液滴直径不同,影响煤表面速度15米/秒~ 20 m / s进行了研究。是得出以下结论:(1)液滴速度越大,越有可能是骨折后蔓延。此外,液体环的数量和subdroplets液滴形成的裂缝也更多。当粒子的大小和速度小,液环断裂传播过程中不会发生,最终将收回并收敛到滴(2)液滴尺寸越大,时间越长到最大无量纲传播面积影响后,和扩散面积越大。DSAPUV可以用来比较不同粒径下滴的利用率。当液滴速度在15米/秒~ 20 m / s,粒径在10的范围μm ~ 50μm,粒径的液滴利用率比速度更重要的影响(3)传播过程可以分为三个阶段:初始变形期间,振荡扩散时期,稳定的时期。初始变形期间,液滴利用率显著增加。振荡周期的扩散,再滴利用率降低,然后增加。在稳定时期,液滴利用率往往是稳定的平衡态

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的利益冲突

作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。

作者的贡献

Fangwei汉族的任务是概念化、资源、方法、写初稿,项目管理、资金收购和监督。剑李概念化了,写初稿,调查,和可视化。迎迎彭在写初稿,概念化,数据管理和方法。悦赵负责书面审查和编辑,数据管理,正式的分析,和方法论。

确认

这项工作得到了辽宁省自然科学基金(批准号2022 - ms - 396),中国国家自然科学基金(批准号51604143),和重点实验室的科研补助金矿山热动力灾害控制、教育部、辽宁科技大学(批准号JSK202104)。作者深深地感激的支持重点实验室的工作人员矿山热动力灾害和控制。