基于PIV技术的喷雾场速度-粒径同步重建与分布特性研究及其在矿井粉尘治理中的应用

本推荐语基于PIV（Particle Image Velocimetry）技术，创新性地实现了喷雾场速度与粒径的同步重建与分布分析。研究通过MATLAB图像处理，系统揭示了不同喷嘴出口直径及压力条件下喷雾速度场（20–40?m/s区间）与粒径分布（15–70?μm区间）的演变规律，为优化矿井喷雾除尘效率提供了关键数据支持与创新方法。

　　

Highlight

本研究基于二维粒子图像测速（2D PIV）技术，结合MATLAB强大的图像处理功能，首次实现了喷雾场中速度与粒径的同步重建与分析。该方法突破了传统单点测量的局限，无需密集布点即可精确捕捉全场分布特征，为喷嘴雾化特性研究提供了创新性技术路径。

Nozzle selection

实验选用矿山喷雾除尘中应用广泛的旋流压力喷嘴，其结构如图1所示。研究所涉喷嘴出口直径分别为1.2?mm、1.5?mm及2.0?mm，以系统探究结构参数对雾化场的影响。

Experimental system

喷雾实验平台由二维PIV测量系统与压力调节系统两部分构成（图2）。其中，二维PIV硬件包括Nd:YAG双脉冲激光器、高速CCD相机及同步控制器，压力系统则通过精密阀门实现2–4?MPa范围内的压力调控，确保实验条件的精确性与可重复性。

The overall distribution of velocity field based on PIV

图10清晰展示了距喷嘴150–590?mm区域内平均流速的分布情况。流场整体呈现径向中部高、两侧低，轴向近喷嘴高、远喷嘴低的特征。当液滴从喷嘴射出后，在喷嘴中心轴附近一定宽度内形成主流区，该区域内液滴速度显著高于边缘区域。随着轴向距离增加，液滴与空气间动量交换加剧，导致速度逐渐衰减。研究同时发现，随着供水压力升高与喷嘴出口直径减小，流速超过20?m/s的区域比例显著增加，尤其在30–40?m/s的中高速区间及＞40?m/s的高速区间，该趋势更为明显。

Conclusion

（1）本研究明确了喷雾压力与喷嘴出口直径对液滴速度区间与粒径区间分布的影响规律。当压力从2?MPa升至4?MPa时，＞20?m/s速度区间与15–70?μm粒径区间的占比均呈上升趋势；而喷嘴出口直径增大则导致两类指标占比同步下降。当压力为4?MPa、喷嘴出口直径为1.2?mm时，15–70?μm粒径占比达到最大值，表明该条件下雾化效果最优。（2）基于PIV与MATLAB的同步重建方法，为喷嘴雾化特性的综合分析提供了高效、精确的技术手段，尤其适用于矿井除尘等实际工程场景中的喷雾场优化设计。