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摘 要 本文主要通過(guò)自由淹沒(méi)射流理論研究除塵器設(shè)計(jì)的相關(guān)課題。
關(guān)鍵詞 自由射流 噴管 擴(kuò)張角
1 自由淹沒(méi)射流的基本流動(dòng)特性
一股速度很大的流動(dòng)射入周?chē)黧w時(shí)所形成的流動(dòng)，稱之為射流。射流周?chē)牧黧w本身具有速度時(shí)稱為伴隨射流，當(dāng)周?chē)黧w處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則稱為自由射流。射流將一部分動(dòng)量傳遞給帶入的流體，因而射流的速度逐漸降低。最后射流的動(dòng)量全部消失在空間流體中，射流也在靜止流體中淹沒(méi)了，所以又稱它為自由淹沒(méi)射流。
射流一般分為初始段和基本段兩部分。圖1所示為自由射流的結(jié)構(gòu)示意圖。
假定流體以超過(guò)臨界速度的初速度U0均勻地從噴管出口流出，在流動(dòng)中由于周?chē)黧w的不斷摻入，射流的寬度逐漸增大，而在射流中還保持射流初速U0的區(qū)域（稱為射流核心區(qū)）則逐漸縮小。在離開(kāi)噴管出口一定距離以后，保持初速U0的射流核心區(qū)就消失了。射流核心區(qū)完全消失的橫截面稱為轉(zhuǎn)折截面。在噴管出口與轉(zhuǎn)折截面之間的射流段稱為初始段，射流核心區(qū)就在初始段中。在轉(zhuǎn)折截面以后的射流段稱為基本段，在基本段中軸向流速逐漸減小，最后到零。射流與靜止流體的交界面（流速為零）稱為外邊界面，軸向流速還保持初速U0的邊界面（射流核心區(qū)的邊界面）稱為內(nèi)邊界面。在內(nèi)、外邊界面之間的區(qū)域稱為射流邊界層，在轉(zhuǎn)折截面以后整個(gè)射流都變成射流邊界層。射流外邊界現(xiàn)的交點(diǎn)O稱為射流極點(diǎn)，它的位置在噴管內(nèi)。外邊界線之間的夾角θ稱為射流極角，也稱為射流擴(kuò)散角。
圖1 自由射流的結(jié)構(gòu)示意圖
剪切射流符合邊界層的特點(diǎn)：射流邊界層的寬度小于射流的長(zhǎng)度，即橫向尺度遠(yuǎn)小于縱向尺度；在射流邊界層的任何橫截面上，橫向速度遠(yuǎn)小于縱向速度；沿射流邊界層橫截面上的壓強(qiáng)是近似不變的，又由于周?chē)o止流體內(nèi)的壓強(qiáng)各處都相等，所以可以認(rèn)為，整個(gè)射流區(qū)內(nèi)的壓強(qiáng)都是一樣的；射流邊界層的內(nèi)、外邊界線都是直線。
根據(jù)自由淹沒(méi)射流理論，圓形截面軸向?qū)ΨQ射流有以下特征：
轉(zhuǎn)折截面上射流寬度等于噴管出口直徑的3.28倍。
射流擴(kuò)散角θ為270－30030＇
射出能力Um＝U0*0.966/（α*S/R0+0.294） α=0.07-0.08
2 自由淹沒(méi)射流理論在脈沖噴吹設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
脈沖噴吹濾袋除塵器在設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常涉及噴管設(shè)計(jì)。噴管設(shè)計(jì)主要包括噴管形式、噴口大小、噴口高度。
噴管外表形式多種多樣，究其根本只有兩種：收縮噴管、縮放噴管。收縮噴管的流通截面是逐漸縮小的，流通截面不變的噴管本質(zhì)上也屬于收縮噴管。縮放噴管的流通截面是先縮小后擴(kuò)大。縮放噴管也稱拉伐爾噴管。亞音速氣流在收縮噴管內(nèi)膨脹加速，不可能得到超音速流動(dòng)。要得到超音速流動(dòng)，必須在漸縮漸擴(kuò)形的拉伐爾噴管內(nèi)才能得到超音速流動(dòng)。
由于當(dāng)前脈沖濾袋除塵領(lǐng)域并未涉及超音速噴吹清灰，下面僅以收縮噴管為例進(jìn)行研究。
高速壓縮空氣通過(guò)噴管對(duì)濾袋進(jìn)行噴吹清灰，其速度可以達(dá)到接近臨界音速。臨界音速不是一個(gè)定值，與溫度有關(guān)。在0℃時(shí)，空氣的臨界音速為302m/s。也就是說(shuō)，在普通噴管的噴口0℃時(shí)最大速度為接近302m/s。而濾袋上口凈氣流出速度一般不大于5m/s，相對(duì)于噴吹氣流可以暫時(shí)忽略。這樣，可以利用自由淹沒(méi)射流理論對(duì)噴管高度進(jìn)行計(jì)算。
以φ160濾袋（籠口φ150）、噴口φ20，φ130濾袋（籠口φ120）噴口φ10為例如圖２說(shuō)明：
圖２ φ160和φ130濾袋噴射情況
由射流擴(kuò)散角θ為270－30030＇，很容易計(jì)算出籠口φ150、噴口φ20時(shí)的噴吹高度在238.4-275.3之間。理論上，如果高于此高度，即有部分空氣吹到多孔板外面造成浪費(fèi)。如果低于此高度，可能會(huì)造成濾袋頂部清灰不利。在實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中，因?yàn)閲姽馨惭b偏離等其它方面原因，實(shí)際高度一般會(huì)略低于此高度。同理，可以計(jì)算出籠口φ120、噴口φ10時(shí)的噴吹高度在201.7-231.6之間。
根據(jù)公式Um＝U0*0.966/（α*S/R0+0.294），可以計(jì)算袋口噴吹氣流的理論速度：
表1 袋口噴吹氣流的理論速度
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條件：噴口速度接近302 m/s |
袋口氣流速度（m/s） |
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籠口φ150、噴口φ20、噴吹高度230 |
約144.5 |
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籠口φ120、噴口φ10、噴吹高度200 |
約88.5 |
因?yàn)槭艿酱趦魵馍仙俣扔绊懀瑢?shí)際速度要略小于理論計(jì)算速度。
噴吹氣體進(jìn)入濾袋以后，氣體受到濾袋周壁的約束，不能繼續(xù)擴(kuò)散，所以不再適用于自由淹沒(méi)射流理論進(jìn)行研究。
3 自由淹沒(méi)射流理論在直通式濾袋除塵器進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)中的分析研究
在直通式濾袋除塵器設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)風(fēng)口后濾袋迎風(fēng)面受風(fēng)速度要求嚴(yán)格，如果不能得到有效控制，很容易吹損濾袋。利用自由淹沒(méi)射流理論同樣可以分析進(jìn)風(fēng)口相關(guān)部位的風(fēng)速結(jié)構(gòu)。
以φ1000進(jìn)風(fēng)管道為例進(jìn)行分析。如圖３，進(jìn)風(fēng)管道連接喇叭形進(jìn)風(fēng)口。
圖３ 進(jìn)風(fēng)管喇叭形連接
氣流以管道風(fēng)速U0均勻地從管口（A）流出，進(jìn)入喇叭口(擴(kuò)張角θ)。由于流通面積不斷擴(kuò)大，在流動(dòng)中周?chē)黧w不斷摻入，射流的寬度逐漸增大，而在射流中還保持射流初速U0的區(qū)域則逐漸縮小。在離開(kāi)噴管出口一定距離（4181.5）以后，保持初速U0的射流核心區(qū)就消失了。
現(xiàn)在討論兩種情況，喇叭口擴(kuò)張角θ>30.50時(shí)（不是定值，介于27-30.50之間，為簡(jiǎn)化分析以30.50為例，下同），如上圖所示。由于周?chē)黧w要不斷摻入，而喇叭周壁阻擋了上下兩個(gè)方向上的氣流，所以只能由喇叭后端補(bǔ)充，從而在喇叭口周?chē)纬蓽u流，產(chǎn)生能量損失。如圖，E區(qū)為渦流區(qū)，速度為負(fù)值；F區(qū)流速介于零到管道風(fēng)速之間；G區(qū)流速與管道風(fēng)速相同。
由上分析可知，在喇叭口末端的流速，是不均勻的，單純用流量除以截面積所得理論平均流速并無(wú)實(shí)踐意義。要想得到均勻的流體速度，有兩個(gè)措施：一是將喇叭口做長(zhǎng)，可以得到相對(duì)均勻設(shè)計(jì)流速。這種措施在實(shí)踐中也有應(yīng)用，并非運(yùn)用于直通式袋除塵器。另一種措施是加均風(fēng)板，用外力減弱流體前進(jìn)速度，強(qiáng)制補(bǔ)充渦流區(qū)，這種措施已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。
另一種情況是當(dāng)喇叭口擴(kuò)張角θ<30.50時(shí)，射流自動(dòng)充滿喇叭空間，周?chē)o止流體由于受到喇叭周壁的阻擋，不會(huì)有流體摻入，所以沒(méi)有渦流。這種情況不再屬于自由淹沒(méi)射流理論的研究范圍，而屬于亞音速擴(kuò)壓管研究的范圍，其特征是隨著氣流的截面積增大，流速減小，壓力增大。其均風(fēng)效果更有效。
所以說(shuō)，在不設(shè)均風(fēng)板時(shí)，喇叭口的擴(kuò)張角如果高于300，是不科學(xué)的。
自由淹沒(méi)射流理論在其它地方也可以應(yīng)用，譬如可以對(duì)濾袋出口的凈氣流速進(jìn)行分析，分析某高度點(diǎn)的氣體速度，可以為凈氣室的高度設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也有一些地方可以利用該理論進(jìn)行分析研究。
選自2009全國(guó)袋式除塵技術(shù)研討會(huì)論文集 | 
