超声雾化喷嘴内部混合腔导流管几何形状的影响：喷嘴出口近场流场特性及隧道掘进面降尘性能

《Process Safety and Environmental Protection》：Effects of guide tube geometry in the internal mixing chamber of an ultrasonic atomizing nozzle: Nozzle-outlet near-field flow characteristics and dust suppression performance at tunnel headings

　　

摘要

采矿和隧道掘进作业会产生大量细微粉尘，对工人的健康和安全构成严重威胁。超声波喷嘴具有液滴细小、耗水量低和雾化效率高特点，在细微粉尘治理方面展现出巨大潜力。然而，喷嘴内部结构参数对气液两相流以及雾化、抑尘性能的影响尚不明确。本研究结合VOF（流体体积）数值模拟、相多普勒粒子分析仪（PDPA）测量以及在按比例缩尺的掘进面实验平台上进行的抑尘实验，研究了导流管入口角度（θt）、直径（Dt）和数量（Nt）对气（Pg）液（Pl）供给压力为0.5 MPa条件下喷嘴内部流场、雾化特性和抑尘性能的影响。结果表明，随着θt和Nt的增大，正视和侧视喷雾雾化角度（θS1、θS2）、轴向速度（VS）和抑尘效率（ηc）均呈现先增大后减小的趋势，而Sauter均径（D[3,2]）则呈现相反趋势。Dt的增大单调减小θS1、θS2并增大D[3,2]，而VS和ηc则呈现先增大后减小的趋势。在对应的单因素条件下，最佳性能出现在θt = 10°、Dt = 0.8 mm、Nt = 6时，对应的除尘效率分别为80.23%、70.29%和75.84%。这些发现阐明了导流管几何形状对超声波雾化喷嘴的影响，为地下掘进面高效低耗喷雾抑尘喷嘴的优化设计提供了理论依据。

引言

近年来，煤炭行业大力推广高度机械化开采以满足日益增长的能源需求（Xie等，2023；Yan等，2025）。然而，这一技术进步无意中加剧了煤尘污染，造成了严重的职业健康挑战（Liu等，2026；Zhou等，2024）。根据中国国家卫生健康委员会发布的数据，2024年报告的职业病病例为11,289例，其中职业性尘肺病7,251例，约占所有职业病病例的64.23%（Huang等，2026；Wang等，2026；Yang等，2026）。这一严峻现实凸显了更加有效的粉尘控制技术迫在眉睫的需求。煤矿工人是尘肺病的主要受影响人群；因此，呼吸性粉尘的防治始终是煤矿安全领域的关键问题（Chen等，2025）。喷雾抑尘是目前采用最广泛且最有效的粉尘控制措施，喷嘴是其核心部件。受限于液体供给压力条件，传统压力喷嘴的抑尘效率仍然不足（Cheng等，2016；Liu等，2025）。相比之下，超声波雾化喷嘴利用高压气流产生直径更小、速度更高的液滴，从而显著提升了喷雾性能和呼吸性粉尘的捕集效率（Tao等，2025；Zeng等，2026；Zhou等，2026a）。

为应对这些挑战，全球研究人员对喷嘴雾化机理和抑尘应用进行了系统性研究。在喷嘴雾化基础研究方面，Xie等（Xie等，2025）基于PDA测量考察了一种创新轴向雾化参数校正系数，以提高用于煤尘控制的压力雾化喷嘴雾化特性的评价精度，将液滴速度和通量偏差率降至10%以内，同时显著降低了实验成本。Tong等（Tong等，2025）实验确定了内部混合气动雾化喷嘴的最佳工况。Han等（Han等，2020）和Wang等（P. Wang等，2019b）研究了液体供给压力和气体供给压力对内部混合气雾化喷嘴雾化特性和抑尘效率的影响。Wang等（Wang等，2025a）研究了微纳米气泡增强的超声波干雾雾化特性和抑尘性能，结果表明超声波增强技术在细颗粒捕集方面具有显著优势。Zhou等（Zhou等，2026b）表征了一种新型超声波喷嘴，并对混合室中的喷孔直径、孔数和共振腔距离进行了单因素和正交试验。

在结构优化方面，Wang等（P. Wang等，2019a）评估了注水孔直径、数量和空气帽直径对内部混合喷嘴雾化和抑尘性能的影响。Wang等（Wang等，2020）研究了出口直径对X型旋流压力喷嘴雾化特性的影响，表明出口尺寸是决定喷雾质量的关键因素。Ren等（Ren等，2024）利用响应面法改善了雾化喷嘴的煤尘抑制效果。Peng等（Peng等，2026a）结合3D打印技术和响应面法优化了气雾化喷嘴的空气管数量、宽度和混合室长度，并使用VOF-DPM模型解释了雾化机理。

在数值模拟方法方面，研究人员越来越多地采用先进的计算流体力学模型来揭示喷嘴的内部流场特性和雾化机理，为实验研究提供互补的理论基础。Chen等（Chen等，2022a）提出了一种流体-固体-声学多物理场耦合DPM-LES模型，研究了气液两相喷嘴的流场动态和声学特性，揭示了气体流量和SVC结构参数对动态压力、速度分布和声压级的影响。Peng等（Peng等，2025b）应用VOF-DPM模型研究了气液两相喷嘴的雾化规律和抑尘效果，建立了气体供给压力与粒径、速度和抑尘效率之间的定量关系。Chen等（Chen等，2022b）利用LES-VOF模型对压力旋流喷嘴的流动特性进行了多目标优化。Nie等（Nie等，2022）基于VOF模型对呼吸性粉尘的液滴包裹过程进行了介观模拟，确定了捕集7 μm呼吸性粉尘的最佳液滴参数范围。

尽管从多个角度对喷雾雾化和抑尘机理进行了大量研究，现有研究仍存在不足。特别是结构优化研究主要关注传统几何变量，如孔径尺寸、出口直径和辅助气流通道配置等。超声波喷嘴的导流管参数需要进行系统研究。这些参数包括入口角度（θt）、直径（Dt）和数量（Nt）。它们的影响涵盖两个关键领域：（1）混合室内气液两相流的演化，以及（2）影响抑尘效率的外部雾化特性。混合室内的动量传递机理和流场发展需要更深入的理解。同样，内部流动条件与外部雾化性能之间的关系需要进一步阐明。目前对这些参数-性能关系的理解仍不足以支撑抑尘应用中喷嘴的优化设计。因此，迫切需要系统地研究导流管结构参数及其对内部流动动力学、外部雾化性能和抑尘效率的影响。

为此，利用3D打印技术制作了具有不同导流管配置的喷嘴原型以进行喷雾特性实验研究。使用相多普勒粒子分析仪（PDPA）系统和模拟混合通风条件下抑尘条件的实验平台表征了喷雾参数，包括正视和侧视喷雾雾化角度（θS1和θS2）、Sauter均径（D[3,2]）、轴向速度（VS）和抑尘效率（ηc）。此外，采用SST k-ω湍流模型与隐式流体体积（VOF）模型相结合的方法，数值研究了不同导流管配置下的内部气液两相流特性。随后将数值模拟结果与实验数据进行验证。研究结果可为隧道掘进面和转运点高效喷雾抑尘系统的结构设计和工程应用提供理论基础和技术参考。

分段小节

连续相的控制方程

为准确捕捉喷嘴混合室收缩段和近出口区域的湍流演化规律，本文在数值模拟中采用了SST k-ω湍流模型（Han等，2023；H. Wang等，2019）。该模型能有效表征复杂几何形状的喷嘴流道内边界层演化、流动分离和再附着的动态特性（Peng等，2025a；Huang等，2025b；Han等，2024）。

物理模型和网格划分

图1(a)展示了超声波雾化喷嘴的物理原型，图1(b)呈现了相应的物理模型。喷嘴主要由安装基座、气体入口管、混合室和喷嘴前段组成。图1(c)展示了混合室的结构模型。沿流动方向，混合室包括收缩段、喉部和扩张段，导流管与收缩段相连。主要几何特征……

喷雾雾化特性

不同θt下的正视和侧视喷雾θS1和θS2见图7。不同θt下的D[3,2]和VS见图8。

如图7所示，随着导流管入口角度的增大，θS1和θS2均呈现先增大后减小的趋势。当导流管入口角度θt = 10°时，θS1和θS2达到最大值，分别为35.8°和41.1°。如图8所示，随着导流管入口角度的增大，Sauter均径D[3,2]最初……

局限性和未来展望

本研究采用数值模拟与实验测试相结合的方法，分析了导流管结构参数对超声波喷嘴雾化特性和抑尘性能的影响。然而，仍存在一些局限性。

(1) 由于计算工作量和计算资源的限制，本研究采用稳态VOF模型结合SST k-ω湍流模型进行数值模拟……

结论

本研究通过数值模拟内部气液两相流并结合相多普勒粒子分析仪和抑尘平台进行实验验证，系统研究了导流管结构参数（包括入口角度（θt）、直径（Dt）和数量（Nt））对超声波喷嘴喷雾雾化性能和抑尘能力的影响。得出以下主要结论：

(1) 随着入口角度（θt）的增大……

作者贡献声明

Haoyu Wang：撰写——审阅与编辑，验证，调查，数据整理，概念化。
Su Zeng：撰写——原稿撰写，可视化，软件，方法论，概念化。
Bingyou Jiang：撰写——审阅与编辑，监督，经费获取。
Jie Wang：可视化，正式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本项目得到国家自然科学基金（52574223）、青年教职工科研创新能力支持项目（SRICSPYF-BS2025047）、安徽省自然科学基金（2308085J19）、安徽省高校青年杰出人才基金（2022AH020057）以及安徽省学术与技术带头人后备人选学术科研活动基金（2022H301）的资助……

Bingyou Jiang|Su Zeng|Haoyu Wang|Jie Wang