旋流叶片参数对湿式旋流净化器中气液相互作用与液滴分离协同效应的影响

《Process Safety and Environmental Protection》：Influence of swirl-vane parameters on the synergy between gas–liquid interaction and droplet separation in wet-type swirl purifiers

　　

•将旋风叶片组件的作用与整体系统性能解耦分析。•阐明了旋风叶片参数对气液相互作用及液滴分离的影响。•确定了七叶片双弧形构型为平衡液滴分离与气动阻力的最优方案。•提出了一种水动力学解释，将涡流调控与液滴传输及分离联系起来。引言据相关研究，在没有任何防尘措施的情况下，中国大多数矿山在采矿作业中的粉尘浓度通常在200至600 mg/m3之间，在高强度作业条件下甚至可超过1000 mg/m3（Hou等人, 2023, Zhou等人, 2021, Shao等人, 2011）。由于地下空间封闭、通风受限，粉尘难以迅速排出，导致粉尘控制难度大，往往收效不佳。长期暴露于该环境中严重损害工人的职业健康，并相应增加了职业病的发病率（Wang等人, 2020, Chen等人, 2013, Li等人, 2026）。湿式除尘技术凭借其高除尘效率、低初始投资、操作维护简便以及强环境适应性，在矿山粉尘控制中发挥着重要作用。该技术以水或水溶液作为捕尘介质，通过液滴与粉尘颗粒的接触碰撞、润湿和团聚作用，实现粉尘颗粒从气流中的高效分离，因此被视为粉尘控制领域的核心技术之一（Liu等人, 2023, Ma等人, 2020, Zhang等人, 2025）。随着工程场景对除尘效率、环境兼容性和智能化提出越来越高的要求，湿式除尘技术体系不断扩展，相关设备也经历了迭代升级，形成了涵盖喷雾除尘和湿式除尘器等多种技术路径的综合控制系统，已广泛应用于粉尘污染严重的矿山开采和隧道掘进等工程领域。在这些技术中，湿式旋风净化器凭借其有效的捕尘能力和对复杂工况环境的适应性，在矿山粉尘控制中占据重要地位（Jin等人, 2022, Hu等人, 2025）。多年来，研究人员致力于提高湿式除尘技术的除尘效率并降低运行阻力，对湿式除尘器的结构和过滤方法进行了广泛研究。Zhang等人（2019）提出了一种新型旋风湿式静电除尘器的创新设计，通过实验与数值模拟相结合的方式，分析了内部流体动力学特性（包括气流分布、压降和颗粒捕集效率），并评估了其流场性能和除尘效果。Patts等人（2016）引入了一种新颖的除尘方法，将湿式除尘器与局部通风风扇串联连接以提高除尘效率，其关于不同掘进体积下粉尘浓度变化的实验表明，该方法能有效降低工作面的粉尘浓度，特别是在高粉尘产生的掘进作业中。这些研究侧重于整体结构设计或系统级集成，从宏观角度评估性能，但未探讨内部流场细节或关键组件的作用，微观尺度上的气液相互作用机制在很大程度上仍未被探索。Li等人（2019a, 2019b）开发了一种新型移动式湿式振动弦旋风除尘器用于采矿应用，通过对喷雾除尘、振动弦网格捕尘和旋风除尘的理论分析，证明了在特定风速范围内，该除尘器对总尘和呼吸性粉尘均具有较高的除尘效率，同时保持较低的系统阻力。Hu等人（2021）提出了一种空气清洁方法，采用一种独特的空气洗涤器，由进水管道、径向混合叶轮、分水板、旋风叶片、电机、除雾器、外壳和水泵组成，径向混合叶轮产生的水雾与含煤尘空气混合，并在煤 Prep 厂进行了现场测试。Jin等人（2022）设计了一种新装置，包括外壳、进水口、离心叶轮、弧形旋风板和除雾器，通过调节电机频率和进水流量，并使用四个粒径范围的粉尘（180–250 μm、150–180 μm、75–150 μm和<75 μm）进行多因素实验，获得了除尘器的最优运行参数。这些研究通过将多种功能单元（喷雾、旋风和过滤）集成到单一设备中推进了技术发展，展示了混合设计的可行性，但其调查主要仍以设备为中心，关注整体运行参数，而旋风叶片组件——这一控制涡流的组——其独立贡献未被系统地解耦分析。Gong等人（2024）设计了一种新型双叶片旋风湿式除尘器，通过数值模拟分析了喷嘴直径、喷雾压力、叶片安装角度和叶片转速对除尘效率的影响，并采用响应面法建立多元回归方程以确定最优参数组合。Hou等人（2025）采用新型扁口防堵文丘里扩散旋转雾化喷嘴替代传统供水方式，在最优工况下除尘效率超过95.97%，有效解决了传统湿式除尘器喷嘴易堵塞的问题。这些参数研究确定了特定设计变量的有利运行窗口，但将旋风叶片视为多个可调参数之一而非核心关注对象，更重要的是，未考虑气液相互作用（液滴传输与浓度分布）与液滴分离（液滴捕集与脱水）之间的耦合关系，而这两者均由旋风叶片几何结构控制。这一遗漏意味着决定捕尘效率的主要因素——液滴浓度和分布——无法针对旋风区域进行独立优化。综上所述，尽管上述研究通过系统集成、整体性能评估和参数优化对湿式除尘技术做出了贡献，但仍存在两个关键空白。第一，对关键内部单元——特别是旋风叶片组件——的细粉尘去除性能的系统研究不足，旋风叶片直接控制气液混合、液滴传输和分离，但其对流场和液滴行为的独立影响尚未得到阐明。第二，也是更为重要的，旋风区域内气液相互作用与液滴分离之间的协同关系在很大程度上被忽视，现有研究往往将这些过程分开处理，未认识到旋风叶片参数同时影响可用于捕尘的液滴浓度和出口处的液滴逃逸率，这种协同性的缺失导致液滴浓度和分布未达到最优，而这是影响当前湿式旋风净化器细呼吸性粉尘捕集的重要因素。因此，为填补这些空白并改善旋风区域内的液滴传输和分离性能，本研究系统研究了旋风叶片参数对旋风净化性能的影响，并确定了最优旋风叶片结构和数量。首先，建立了基于CFD欧拉-拉格朗日耦合框架的数值模型，研究旋风叶片结构和数量对旋风净化器内部流场、液滴分布和压降的影响，从而揭示液滴分布趋势，确定了混合旋风系统的最优旋风叶片结构和数量，阐明了增强气液相互作用和液滴分离的内在机制，为在混合旋风系统中实现高效粉尘净化提供了见解。本工作填补了旋风叶片参数与气液相互作用及液滴分离协同耦合机制的研究空白，并为高效湿式旋风净化器的针对性设计提供了理论依据。节选片段数值模型与计算设置湿式旋风净化器中的气液两相流采用ANSYS Fluent基于欧拉-拉格朗日方法模拟，气相被视为连续相，由雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程控制，采用可实现k-ε湍流模型封闭，并对近壁区域采用增强壁面处理，液滴在拉格朗日框架下作为离散相追踪，考虑了曳力、Saffman升力和湍流离散（通过离散随机游走模型）。旋风叶片结构对旋风净化性能的影响在净化器入口下游0.2、0.4和0.6 m处选取三个径向截面，分别标记为A、B和C，图3展示了运行5秒后两种旋风叶片结构在不同叶片数条件下的径向截面上的液滴浓度等值线，为内部液滴分布提供了直观对比。发现截面A、B和C处的流场特征、液滴分布和液滴分离性能为——结论基于CFD数值模拟，研究了不同旋风叶片结构和数量对湿式旋风净化器内部流场、液滴分布、液滴浓度和压降的影响，并确定了最优叶片结构和数量，主要结论如下：（1）双曲率叶片构型提供了更加均匀和有组织的涡流，随着叶片数量的增加，改善了旋风区域内的液滴分布——未引用参考文献Li等人（2019）；Li和Wu（2019）作者贡献声明Zhu Qihang：验证、软件，Chen Hongyi：软件，Jin Hao：监督、项目管理、资金获取，He Chang：验证、软件，Li Shihang：撰写—审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取，Hu Shuda：监督、项目管理、资金获取，Hou Jun：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、方法论、调查、数据管理、概念化利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系致谢本研究由国家自然科学基金（项目编号：52474259、52404265）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20241648）和中国博士后科学基金（项目编号：2024M763559）资助声明作者声明不存在与本工作相关的利益冲突，作者声明不存在与本文提交相关的任何商业或协会利益冲突Jun Hou｜Shihang Li｜Shuda Hu｜Hao Jin｜Chang He｜Qihang Zhu｜Hongyi Chen