旋流喷嘴结构参数对雾化特性及降尘性能的影响机制研究

为解决煤矿粉尘污染严重问题，研究人员通过理论分析、数值模拟(VOF-DPM模型)与实验测量相结合，系统研究了喷嘴内部结构对降尘效果的影响。优化得到最佳结构参数：旋流芯过水面积Sl=4.5 mm2、导流板平口设计、旋流角αl=70°。3D打印新型喷嘴实验显示，6 MPa压力下除尘率达87.4%，为矿山喷雾除尘技术提供新方案。

　　

煤炭作为全球能源消费的重要支柱，其开采过程中产生的粉尘污染已成为严峻的职业健康威胁。2024年《世界能源统计年鉴》显示，中国煤炭产量占全球56%，伴随高度机械化开采而来的粉尘问题日益突出。国家卫健委数据显示，2023年职业性尘肺病占职业病总数的66.61%，矿工成为主要受害群体。传统喷雾除尘技术因喷嘴结构设计不足，存在雾化效率低、覆盖范围有限等问题，亟需突破性解决方案。

针对这一挑战，中国矿业大学（北京）的研究团队在《Powder Technology》发表创新成果。研究采用多尺度耦合的VOF(Volume of Fluid)到DPM(Discrete Phase Model)模型，首次实现喷嘴内外流场全过程的精准模拟。通过3D打印技术制备优化喷嘴，结合TSI3330光学粒径谱仪等设备，系统评估了除尘性能。

研究结果

旋流喷嘴模型建立与参数设置
建立包含旋流芯、导流板等关键部件的三维模型，设置边界条件模拟6 MPa工作压力下的流场特性。

内部结构对雾化规律的影响
发现旋流芯过水面积S_l直接影响液膜厚度，当S_l=4.5 mm²时形成均匀薄液膜；70°旋流角可产生稳定涡流，使液滴粒径分布集中。

新型喷嘴除尘效果实验
对比实验显示，优化喷嘴在10.7 μm煤尘条件下，除尘效率较传统设计提升8.2%，呼吸性粉尘捕集效率显著提高。

结论与意义
该研究首次阐明旋流喷嘴内部结构参数（S_l、α_l）与雾化特性的定量关系，提出的VOF-DPM耦合模型为流体机械设计提供新范式。实际应用中，87.4%的除尘率可有效降低矿工尘肺病风险，相关成果已获国家自然科学基金（52374213）等多项支持，对实现《"健康中国2030"规划纲要》职业健康目标具有重要实践价值。