关于液滴动态润湿煤尘机制的研究

《Journal of Molecular Liquids》：Study on the mechanism of dynamic wetting of coal dust by liquid droplets

煤尘表面液滴动态传播机理及影响因素研究，通过高速摄像与CFD数值模拟结合，揭示了煤尘表面粗糙度、亲水性及液滴表面张力、冲击速度对最大展开系数βmax的影响规律。实验表明：表面粗糙度与亲水性提升可增强润湿性，βmax随冲击速度增大和表面张力降低而显著增加，当颗粒-液滴尺寸比达2时βmax最大，但过高冲击速度或过低表面张力会导致液滴破碎，反降低润湿效果。

　　在煤炭开采与加工过程中，粉尘的产生与扩散一直是影响作业环境安全的重要因素。随着煤矿机械化程度的提高，粉尘浓度显著上升，不仅对工人的健康构成威胁，还可能引发严重的粉尘爆炸和一氧化碳中毒等安全事故。为了有效控制粉尘危害，研究人员开发了多种技术，如通风除尘、煤层注水以及喷雾抑尘等。其中，喷雾抑尘因其高效性和广泛适用性，成为当前粉尘控制的主要手段之一。喷雾抑尘的基本原理是通过液体雾滴与粉尘颗粒的碰撞，实现粉尘的捕捉和沉降。该技术的核心在于提升液体雾滴对粉尘颗粒的润湿性能，这依赖于粉尘颗粒的物理化学性质以及液体的特性。然而，雾滴与粉尘颗粒的相互作用过程复杂，涉及碰撞、扩散、包裹、甚至破裂等多个阶段，同时受到多种因素的影响。因此，深入研究这一过程对于优化喷雾抑尘技术、提高其效率具有重要意义。

近年来，关于雾滴在颗粒表面的润湿行为的研究逐渐增多，特别是在煤炭粉尘控制领域。已有大量实验和数值模拟研究揭示了影响雾滴润湿性能的关键因素，包括雾滴的表面张力、冲击速度、粉尘颗粒的表面粗糙度、亲水性以及颗粒尺寸比等。实验研究表明，这些参数在不同程度上决定了雾滴的扩散和包裹行为，从而影响粉尘的去除效果。同时，数值模拟方法也被广泛应用，以预测和分析雾滴与颗粒相互作用的动态过程。通过结合实验和模拟，研究者能够更全面地理解雾滴在粉尘表面的润湿机制，并进一步指导工程实践。

在本研究中，采用了高速摄像机捕捉雾滴在煤炭粉尘表面的动态扩散过程，并基于计算流体动力学（CFD）建立了雾滴撞击颗粒的数值模拟模型。实验与模拟结果相互验证，模拟为实验提供了补充支持。通过这一方法，研究者能够深入分析雾滴与粉尘颗粒相互作用的各个阶段，包括碰撞、扩散、包裹和破裂等，并探讨这些过程如何受到不同因素的影响。研究发现，增加粉尘颗粒的表面粗糙度和亲水性可以显著提高其表面润湿能力，从而增强雾滴的扩散效果。同时，雾滴的初始冲击速度和表面张力对扩散系数也有重要影响，更高的冲击速度和更低的表面张力有助于减少雾滴的反弹倾向，从而提高最大扩散系数。此外，当颗粒与雾滴的尺寸比达到一定数值时，雾滴能够完全包裹粉尘颗粒，但若冲击速度和尺寸比过高，同时表面张力过低，则可能导致雾滴破裂，从而降低其润湿效果。

为了进一步研究雾滴在煤炭粉尘表面的润湿行为，实验中使用了多种表面活性剂，包括阴离子型、非离子型以及有机硅型的表面活性剂。这些表面活性剂被用于调节雾滴的表面张力，从而研究其对润湿效果的影响。实验还使用了去离子水作为对照，以评估不同表面活性剂对雾滴润湿性能的具体作用。通过对比实验数据，研究者能够更清晰地了解不同表面活性剂在提高雾滴润湿能力方面的效果，以及它们如何影响雾滴与粉尘颗粒的相互作用。

此外，本研究还对煤炭样品进行了详细的分析，以了解其颗粒尺寸分布情况。实验结果表明，煤炭粉尘颗粒的尺寸分布范围较广，部分颗粒尺寸大于100微米的粉尘颗粒能够在重力作用下自然沉降，而尺寸小于30微米的粉尘颗粒则可以长时间悬浮在空气中。这一发现对于喷雾抑尘技术的应用具有重要指导意义，因为不同尺寸的粉尘颗粒可能需要不同的雾滴参数来实现最佳的去除效果。因此，研究者在实验设计中考虑了不同尺寸的粉尘颗粒，并分析了它们在雾滴撞击下的行为特征。

在实验过程中，研究者还关注了雾滴与粉尘颗粒的接触机制和能量转移过程。通过高速摄像机捕捉雾滴在粉尘表面的动态过程，研究者能够观察到雾滴在撞击后如何扩散、包裹或破裂。这些观察结果为理解雾滴与粉尘颗粒的相互作用提供了重要的实验依据。同时，数值模拟方法也被用于分析雾滴撞击后的扩散行为，研究者通过模拟不同参数对雾滴扩散的影响，进一步验证了实验结果。模拟结果显示，雾滴的初始冲击速度、表面张力、颗粒尺寸比以及粉尘颗粒的表面粗糙度和亲水性等参数都会影响雾滴的最大扩散系数。这些发现对于优化喷雾抑尘技术、提高其效率具有重要的理论和实践意义。

本研究的主要创新点在于引入了最大扩散系数（β_max）作为评价雾滴润湿能力的关键参数。通过实验和模拟相结合的方法，研究者能够更全面地分析雾滴在粉尘表面的润湿行为，并探讨其与不同因素之间的关系。实验结果表明，β_max的值越高，说明雾滴在粉尘表面的覆盖能力越强，从而更有利于粉尘的去除。这一参数的引入为喷雾抑尘技术的优化提供了新的思路和方法，同时也为后续研究奠定了基础。

综上所述，本研究通过实验和模拟相结合的方法，系统地分析了雾滴在煤炭粉尘表面的动态扩散过程及其影响因素。研究结果表明，粉尘颗粒的表面粗糙度和亲水性、雾滴的冲击速度和表面张力等参数对雾滴的润湿和扩散行为具有重要影响。通过深入研究这些因素，研究者能够更有效地优化喷雾抑尘技术，提高其在实际应用中的效率。此外，本研究还探讨了不同尺寸的粉尘颗粒在雾滴撞击下的行为特征，为喷雾抑尘技术的进一步发展提供了重要的理论支持和实验依据。