一种营造宽薄水幕的缝隙喷口边界流线确定方法

1.本发明属于空气净化及其流体机械技术领域，具体涉及一种营造宽薄水幕的缝隙喷口边界流线确定方法。


背景技术：

2.水幕除尘是湿式除尘技术的一种具体实施方式，采用通风和净化水幕的方式，含尘气流与水幕混合而达到水幕除尘的空气净化效果。水幕除尘机理主要涉及到惯性碰撞和接触阻流，常见传统水幕形成，主要依赖纱网的辅助，因此，水幕形成和覆盖的效率较低，并且，纱网阻隔巷道会影响现场作业。
3.缝隙喷口能够形成喷射水幕，但是，在除尘领域，尚未形成适合形成除尘水幕的缝隙喷口及其设计优化方法。根据除尘机理和工程实际，如果要采用缝隙喷口形成水幕而用于除尘，需要较小的耗水量且较均匀的喷嘴出口速度而达到稳定成膜效果。然而，对于传统的缝隙喷口结构而言，采用的是锥形收缩，引起边界流动失控而导致阻力损失大和流场失稳，结果是影响了成膜效果；因此，采用缝隙喷口而形成成膜效果较好的水幕，则需要对喷嘴内部流场进行优化。结合实验验证，刘丽芳对喷嘴内部水流场进行了数值仿真，研究表明，喷嘴内部水流流场是预测水射流速度的关键；针对圆形、正方形、菱形和鸭嘴型喷嘴，江明涛研究了内部流场而发现非圆形喷嘴增强了较大尺度的湍流能量产生；在金属板带材热处理领域，王昭东等人发明了一种可形成高密度喷射流的冷却装置，可形成高密度喷射流，但是，耗水量较大，出流速度过高，不利于含尘气流与水幕的混合；继而，江连运量化了缝隙喷口结构参数对射流扩散性的影响，其结果表明，喷嘴出口截面速度的均匀性越好，则其喷嘴的收缩角应在20
°
～30
°
为宜。但是，对于缝隙喷口减小阻力损失和内部流场优化，尚未形成边界流线及其设计方法。


技术实现要素：

4.为了解决上述难题，本发明提供一种营造宽薄水幕的缝隙喷口边界流线确定方法，设计出流线型缝隙喷口边界流线，降低缝隙喷口流动阻力损失和优化内部流场，特别是，均匀化出口速度分布。
5.本发明的营造宽薄水幕的缝隙喷口边界流线确定方法，其缝隙喷口的横截面为上宽下窄的流线型，包括上部平行段和下部收缩段；它包括如下步骤：
6.(1)推导流线型边界方程步骤：
7.根据流体力学平面势流理论对流线型缝隙喷口模型进行分析，将喷口入口平行段进入收缩段的水流视为平行平面流和点汇的合成流动，将收缩段至喷口出口的流动视作点汇和平行平面流的合成流动，建立特定的势函数和流函数，推导流线型边界方程过程如下：
8.(a)利用势函数计算流函数：
9.10.式(1)中，ψ为流函数值，无量纲；q为这个平面上的流量，m3/h；d为收缩段边界中点与平行段的高度差，mm；y为边界流线线坐标函数，mm；θ为角度，以弧度表示；
11.(b)特别的，当边界条件时，流线即为此平行平面流和点汇的叠加而形成的边界流线，此时，令y＝0，则有ψ＝
‑
q，最终，得出流线型边界方程为：
[0012][0013]
(2)拟合修正得到的流线型边界方程，确定出口边界流线，具体步骤如下：
[0014]
由式(2)的流线型边界方程得出，当θ取值为π时，y＝3d，在实际工程应用中，y值无限接近3d，从工程实际出发，缝隙喷口的边界取边界流线的一部分，即前述中，3为修正系数，则拟合修正流线型边界方程为：
[0015][0016]
式(3)中，y为边界流线线坐标函数。
[0017]
其中，步骤(1)还包括如下过程：
[0018]
(ⅰ)计算平行平面流的复势：
[0019][0020]
式(4)中，z为复变量，z＝x+iy，i为虚数单位；
[0021]
(ⅱ)计算收缩段前半段汇流的复势，前半段的汇流叠加中的点汇取圆形汇流的1/8,则其复势：
[0022][0023]
(ⅲ)计算收缩段前半段水流的复势：
[0024]
w
(z)
＝w
1(z)
+w
2(z)
ꢀꢀꢀ
(6)。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能用于水幕除尘的流线型缝隙喷口出口边界流线的确定，对缝隙喷口内部阻力和流场进行优化，降低缝隙喷口边界流动方向变化处存在的局部阻力和涡流阻力，提高出流速度均匀性，为水幕除尘用流线型缝隙喷口的加工成型提供方法。
附图说明
[0026]
图1是流线型缝隙喷口模型的势流叠加示意图。
[0027]
图2是本发明的边界流线拟合生成曲线图。
[0028]
图3、图4分别是本发明流线型缝隙喷口和现有传统缝隙喷口的截面图。
[0029]
图5、图6分别是本发明流线型缝隙喷口和现有传统缝隙喷口的结构图。
[0030]
图7是本发明流线型缝隙喷口和现有传统缝隙喷口的出流速度方差曲线图。
[0031]
图中：a为平行段；b为收缩段；1为第一入水口；2为第二入水口；3为缝隙喷口出口。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0033]
参见图3、图5，本发明缝隙喷口的横截面为上宽下窄的流线型，包括上部平行段和下部收缩段；基于该缝隙喷口的营造宽薄水幕的缝隙喷口边界流线确定方法，包括以下步骤：
[0034]
(1)推导流线型边界方程：
[0035]
参见图1，根据流体力学平面势流理论对流线型缝隙喷口模型进行分析，将喷口入口平行段a进入收缩段b的水流视为平行平面流和点汇的合成流动，将收缩段b至喷口出口的流动视作点汇和平行平面流的合成流动，建立特定的势函数和流函数，推导流线型边界方程；
[0036]
步骤(1)的具体操作步骤如下：
[0037]
(a)计算平行平面流的复势：
[0038][0039]
式(4)中，z为复变量，z＝x+iy，i为虚数单位；q为这个平面上的流量，m3/h；d为收缩段边界中点与平行段的高度差，mm；
[0040]
(b)计算收缩段b前半段汇流的复势，前半段的汇流叠加中的点汇取圆形汇流的1/8，则其复势:
[0041][0042]
(c)计算收缩段前半段水流的复势：
[0043]
w
(z)
＝w
1(z)
+w
2(z)
ꢀꢀꢀ
(6)；
[0044]
(d)利用势函数计算流函数：
[0045][0046]
式(1)中，ψ为流函数值，无量纲；θ为角度，以弧度表示；
[0047]
(e)特别的，当边界条件时，流线即为此平行平面流和点汇的叠加而形成的边界流线，此时，y＝0，则ψ＝
‑
q，由此可得得出流线型边界方程：
[0048][0049]
(2)拟合修正得到的流线型边界方程，确定出口边界流线：
[0050]
步骤(2)的具体操作步骤如下：
[0051]
由式(2)的流线型边界方程得出，当θ取值为π时，y＝3d，而在实际工程应用中，y值只能无限地接近3d，从工程实际出发，缝隙喷口的边界取边界流线的一部分，即前述中，3为修正系数，则拟合修正流线型边界方程为：
[0052]
[0053]
式(3)中，y为边界流线线坐标函数。
[0054]
参见图2，通过边界流线线坐标函数可以得到不同的θ值对应的y值，再通过正切函数换算即可得到不同x值对应的y值，对得到的坐标关于点对称绘制曲线，可组成一条完整的边界流线。
[0055]
参见图3、图4，是采用此边界流线的流线型缝隙喷口截面和现有传统缝隙喷口截面对比图。
[0056]
参见图5至图7，分别对流线型缝隙喷口和现有传统缝隙喷口第一入水口1和第二入水口3设定入水口流速0.6m/s至1.2m/s的额定流速，抽取缝隙喷口出口3中心线速度并计算出口速度方差。
[0057]
分析图7中的流线型缝隙喷口和现有传统缝隙喷口的速度方差曲线，流线型缝隙喷口相比现有传统缝隙喷口出流速度更加均匀，进一步说明流线型缝隙喷口内部阻力更小，流场更加稳定。