黄沙散料流自由下落速度的实验研究

白艳中，刘泽勤，王 蕊

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津300134)

1 引言

在工业生产、散料运输等过程中，常常伴随着粉尘的产生，散射的粉尘受到环境空气的作用而悬浮或在空气中自由下落，造成局部甚至大面积的环境污染。身处粉尘污染环境不仅对皮肤健康会产生很大的危害，而且会影响人体心血管、呼吸道等的健康。近年来，世界上许多国家的工业机构以及立法界对粉尘污染高度重视，越来越多的科研学者及环保学者投入到粉尘污染机理与控制的研究当中。微粒粉尘在环境空气中的运动特性是人工环境控制研究领域的重要课题之一。

微粒粉尘在自由下落的过程中，由于受到环境空气的摩擦阻力及浮力等因素的影响，微粒流不断卷吸周围空气到流场中，流场半径逐渐增大，流场内微粒浓度逐渐减小。同时，流场中不断有微粒散射到周围空气中，对工作环境造成污染。通过对自由下落过程中微粒粉尘运动特性的研究，明确微粒流与环境空气的耦合机理，可以为预测和监控粉尘污染提供一定的科学依据。本文利用专门搭建的实验装置，对黄沙散料在静止环境空气中的自由下落过程进行实验研究，得出散料在不同参数条件下的下降速度的变化规律。

2 国内外研究现状

自由下落微粒流是气固两相流的一种，区别于一般气固两相流的最大特点是:自由下落微粒流场没有特定的流场边界，流场内的固相颗粒与环境空气之间存在相互的耦合作用，流场半径随着下降高度的增大而增大，流场内部的微粒浓度随之减小。

Henmon教授是最早研究自由下落微粒流中固相颗粒与气相空气之间耦合关系的学者之一。20世纪中期，Henmon教授提出了静止空气环境中的单个颗粒自由下落模型，这种模型忽略除重力之外的其他所有作用力，并且给出了颗粒在自由下落过程中的卷吸空气量公式［1］。由于单个颗粒的运动现象与微粒群的自由下降特性存在较大差异，上述模型适用范围较窄。Tooker教授在文献［2，3］中将微粒流的自由下落过程视为充分发展的湍流流动，对Hemeon教授提出的单个颗粒与环境空气的卷吸量公式进行了改进。Cooper、Arnold［4］以及 Cooper et al.［5］的研究表明随着下降高度的增加，微粒流场核心区域的截面积减小，边界层的半径增大。Plinke等［6］在1995年运用专门设计的实验装置对自由下落微粒流场的质量流量、下降高度、微粒粒径以及空气温湿度等物理参数进行了测试和分析，研究给出了各参数之间的相互影响及变化规律。Koichiro Ogata等［7］在2001年使用激光多普勒速度测试仪对等直径的球形玻璃珠的自由下落过程进行了研究，发现在开放环境中，微粒群的下落速度比单一颗粒自由下落的速度要大的多;在物理性质不变的情况下，自由下落微粒流的质量流量仅与物料出口口径有关。Liu等［8～11］对自由下落微粒流与环境空气之间的耦合机理进行了较为深入的研究，其研究表明:自由下落微粒流在下落过程中，会和周围环境空气产生摩擦，进而产生卷吸现象，并定义这类微粒流动为自由下落微粒羽流。

本文在前人研究的基础上，以黄沙为研究对象，利用专门设计搭建的实验装置，研究微粒流在自由下落过程中，下降速度与初始下落口径以及微粒粒径之间的关系。

3 实验方法

根据自由下落微粒流的流动特点以及实验的测试需要，本实验设计搭建了专门的实验装置。实验装置主要由实验框架、物料筒、进料漏斗、出料漏斗、收集器等部件组成。实验中选用4种不同口径的出料漏斗，口径分别为3、4、5、6mm。该实验装置的基本框架分为上下两个部分，上部分为物料储存系统，采用经典的双筒漏斗下落结构以及可变径的光滑漏斗出口，可确保物料稳定下落;下部分为收集系统，作用是回收散落物料，以节约成本并保护实验室环境。实验装置简图见图1。

图1 自由下落微粒羽流实验装置示意图

本实验选用5种不同粒径的黄沙作为实验对象，采用激光粒度仪(Eye－Tech Particle size and shape analyzer)对实验颗粒进行扫描与检测，并且使用其配套软件Hi－tech进行复杂的动态图像分析，可以较精确的得到各种球形、非球形及细长颗粒的粒形、粒度和浓度。通过对所选黄沙的粒径进行分析，可得五种不同黄沙的粒径分别为 535.19、393.51、332.35、188.38、163.74m。

实验过程中，采用高速摄像仪(CamRecord 600)对每组实验进行跟踪拍摄，观测并记录微粒流场的运动状况及速度场特性，并使用配套的Insight3G软件对所拍摄的图片进行分析处理，得到颗粒的瞬时下降速度，进而分析得出不同下落高度微粒流的瞬时速度。

根据实验研究对象的具体特性，为便于研究和操作，对实验进行如下假设:黄沙颗粒均为球形、单一尺寸，且密度远大于空气密度;将环境空气视为静止的、不可压缩的连续相，即微粒在自由下落的过程中仅受到重力、浮力及摩擦阻力的影响，忽略其他外界因素对颗粒运动的扰动。

4 实验结果及讨论

4.1 不同下落口径对微粒下降速度的影响

同一粒径(393.51μm)的黄沙在初始下落口径分别为3、4、5、6mm时，其微粒瞬时下降速度与下降高度之间的变化关系如图2所示。由图中看出:4种工况下微粒下落速度随下落高度增大的变化趋势基本相同，微粒的瞬时下落速度随着下降高度的增加而增大;微粒速度在下落前期增长较快，于下降高度达到0.06m后趋于平缓，进入该工况的匀速下落段。出现这种现象的主要原因为微粒流在自由下落过程中受到环境空气摩擦影响，摩擦阻力随着下降高度的增加而增大，当增大到与重力等其他受力相互抵消时，微粒流即呈现稳定下落状态，其下降速度达到稳定值。

图2 不同下落口径时，下降速度与下降高度之间变化关系

从图2中还可以看出，同一下落高度，初始下落口径越大，微粒束的瞬时下降速度越大。这说明粒径相同的同种物料在自由下落过程中，微粒流瞬时下降速度的增长速率随初始下落口径的增大而增大。造成这种现象的原因主要是当初始下落口径较大时，微粒束的核心区域较宽，自由下落粒子流内部粒子较多，微粒流束受到的摩擦阻力相对较小。因此，下降高度相同时，初始下落口径越大，其微粒束的瞬时下降速度越大。

4.2 粒径对微粒下降速度影响

粒径分别为 535.19、393.51、331.35、188.38、163.74μm的黄沙在下落出口半径为4mm时，其自由瞬时下降速度与下降高度之间的变化关系如图3所示。由图可以看出:五种粒径的黄沙的速度变化趋势基本相同，微粒的瞬时下降速度随着下降高度的增加而增大;微粒速度在下落的前期增长较快，下降高度达到0.06m后趋于平缓，进入该工况的匀速下落段。说明微粒的瞬时下降速度随着下降高度的增加而增大的现象普遍存在。

图3 下落口径相同时，黄沙下降速度与下降高度变化关系

由图3可以看出，当自由下落微粒流下降高度相同时，粒径越大，微粒束的瞬时下降速度也越大。这表明微粒在同一初始下落口径下的自由下落过程中，微粒流下降速度的增长速率随微粒粒径的增大而增大。造成这种现象的原因主要是在粒径较大的微粒流场中，流场中空气所占比例较大，虽然所受摩擦阻力较大，但由于粒子质量也随之增长，粒子所受合力也大，这就导致其下落速度增长速率较小粒径微粒束大，下落高度相同时，粒径越大的粒子束其瞬时下落速度越大。

5 结语

对于各种自由下落微粒流，由于受到摩擦阻力、重力以及浮力等因素的综合影响，微粒的瞬时下降速度随着下降高度的增加而增大;微粒速度在下落的前期增长较快，在下降高度达到0.06m后趋于平缓，进入该工况的匀速下落段。微粒流的瞬时下降速度随着初始下落口径的增大而增大，随着微粒粒径的增大而增大。

［1］HemeonW C L.Plant and Process Ventilation［M］.New York:The Industrial Press，1963.

［2］Tooker G E.Controlling Fugitive Dust Emissions in Material Handling Operations［J］.Bulk Solids Handling，1992，12(2)，227 ～232.

［3］Tooker G E.Establishing Design criteria for Fugitive Dust Collection［J］.Bulk Solids Handling，1985，5(4)，865～869.

［4］Cooper P.Arnold P C.Air Entrainment and Dust Generation from a Falling Stream of Bulk Material［J］.KONA Powder and Particle，1995(13):125～134.

［5］Cooper P，Liu Z Q，Glutz A.Air Entrainment Processes and Dust Control in Bulk Materials Handling Operations.6th International Conference on Bulk Materials Storage，Handling and Transportation［M］.Australia:The University of Wollongong，1998.

［6］Plinke M A E，Leith D，Boundy M G，et al.Dust Generation from Handling Powders in Industry［J］.Am Ind Hyg Assoc，1995(56):251～257.

Koichiro Ogata，Katsuya Funatsu，Yuji Tomita .Experimental investigation of a free falling powder jet and the air entrainment［J］.Powder Technology，2001(115):90～95.

［8］Liu Z Q，Cooper P，Wypych P.Velocity Profile in Air Entrainment During Free－Fall of Particles.7th International Conference on Bulk Materials Storage，Handling and Transportation［J］.The University of Newcastle，Australia，2001(25):816 ～820.

［9］Cooper P，Liu Z Q，Wypych P W.Plumes Driven by Free－Falling Streams of Solid Particles［M］.Adelaide:Adelaide University，2001.

［10］Liu Z Q，Cooper P，Wypych P.Determination Air Entrainment in Free Falling Bulk Materials［M］.Handling and Transportation，2004.