文丘里管射流器的主要性能

文丘里管射流器的主要性能参数研究
在研究文丘里管工作原理的基础上，提出了确定文丘里管射流器的主要性能参数：耗水量与吸风量的计算方法，并通过实验验证了该计算方法的正确性，有利于文丘里管射流器在煤矿降尘工作中的进一步推广。

关键词：引射；吸风量；水雾活塞
随着放顶煤工艺的逐渐推广，放煤口成为放顶煤综采工作面的最大产尘源之一。

放煤时的瞬时粉尘浓度有时可高达万余mg/m3，对作业人员的身体健康危害性极大。

喷雾方式控制煤矿粉尘是经济的，也是有效的。

在适中的喷雾压力和较少耗水量的情况下，文丘里式喷雾降尘装置对煤矿粉尘，尤其是呼吸性粉尘的降尘效果非常明显[1]。

图1 文丘里管工作原理示意图
1 文丘里管射流器的工作原理
1.1 文丘里管的工作原理
如图1所示，高速水流经过文丘里管的变径后，速度急剧增大，压力减少，从喷嘴喷出的水雾锥体，在直径等于引射管内径后受管壁约束而变为圆柱体，此水雾圆柱称为水雾活塞，随着水雾从喷嘴喷出，水雾活塞沿引射管高速运动并从喷射出口高速射出，水雾锥的后部形成真空，外部空气源源不断地从吸气口吸入引射管，这些新吸进的气体在引射喷射管内与水雾锥碰撞混合，并随水雾从喷射口喷出，若吸入的是含尘气体，则粉尘被强制在水雾中运动湿润或粘结成较大颗粒被喷射出引射管后，很快失去在空气中的悬浮能力而降落下来，从而实现降尘的目的[2]。

1.2 文丘里管中流体流动特性分析
文丘里管是利用流体在变截面管道中流速、压
力和状态的变化来实现预期的能量转换的目的。

因为高压喷雾并引射含尘空气，所以可根据稀颗粒群两相流动中的均相流动模型，可把流经文丘里管的雾流和含尘空气假定为均匀、理想的流体，流动过程也是可逆且绝热的[3]。

文丘里管中的混合流体经过管中变径后，马赫数会有突变，即速度会有很大的变化。

在喷嘴结构参数确定的条件下，文丘里管中的水流速度直接影响整个装置的吸风能力，所以，有必要进一步研究文丘里管射流器在不同喷嘴开口条件下的吸风量与耗水量的大小。

2 耗水量及吸风量的理论计算
2.1 耗水量的计算[4]
根据薄壁孔口流量计算及管嘴流量计算公式：
式中△p——孔口前后压差，Pa；
A——孔口面积，m2ρ——流体的密度，kg/m3；μ——流量系数，与喷嘴出口结构有关；
q——流量，即耗水量，m3/s。

可知：喷嘴耗水量与孔口大小及孔口前后压差有关。

2.2 水流流速的计算[4]
根据理想流体连续性方程的推导公式：
式中q——喷嘴耗水量，m3/S； d——喷嘴开口直径，m； V——水流流速，m/s。

将式(1)代入式(2)计算出喷嘴流速：
2.3 风速的计算
根据伯努利定理的特殊形式[5]，对于完全气体可压缩等熵流，伯努利方程变为：
式中γ——大气温度的直降率，对于双原子气体γ取1.4；
ψ——体积力场的势能，并且它只是空间位置的函数；
ρ——空气密度；
V——空气流速，根据均相流模型理论，该空气流速为喷嘴出口水流流速[4]；
C——常数。

根据图2所示，取A1及A2两断面，相对于标准大气压，取中心线为基准平面，联立伯努利方
程
图2 模型简图及流体断面选取
因为取管中心线为基准，即z为0，所以可得断面A2处的风速
式中，V为喷嘴水流流速。

2.4 吸风量的计算
将上述所得V2代入理想流体连续性方程，即可得到吸风量：
A2为接受管截面积与喷嘴截面积的面积差，由式(7)可得出吸风量主要跟喷嘴前后压差、接受管面积、喷嘴结构及开口大小、喷管截面积有关。

3 计算举例
以孔口直径1.5mm，孔口前后压差6MPa为例，由式(1)可计算出耗水量为6.96L/min，由式(3)可得断面A1水流速度为65.7m/s，由式(5)和式(6)可得断面A2处的风速为52.2m/s，由式(7)得吸风量为16.36m3/s(接受管直径为90mm，喷管外径取为38mm)。

4 文丘里管射流器的实验研究
4.1 实验系统设计
实验室研究文丘里管射流器，主要考察2个参数：射流器耗水量和吸风量。

在引射风量一定的情况下，希望耗水量越小越好，这样不但能节约用水，还可以减少对废水的处理工作。

图3 测试系统
实验室测试系统如图3所示。

该系统中高压泵对进水加压，经压力表及流量计进入射流装置的喷嘴，在射流器喷管中以水雾活塞形式向外喷出。

可以用溢流阀调节系统进水压力的大小，满足实验设计的要求。

用皮托管负压计可以测得文丘里管所产生的负压值，进一步可以算出文丘里
管吸风量，由流量计可以测得射流器的耗水量，计算耗水量与吸风量的比值，就可以得到文丘里管射流器的液气比[6]。

4.2 实验数据收集
影响文丘里管射流器吸风量的最重要因素有：供水压力和喷嘴结构[6]。

实验时对3种不同直径的喷嘴进行实验：d=1.2mm；d=1.5mm；d=2.0mm。

实验结果如表1所示。

表1 实验系统设计
从实验数据可知，当喷嘴直径d=1.5mm，压力为6MPa时，耗水量为7.1L/min，吸风量为16.92m3/min，与举例的计算值很接近，其误差值在4%以内。

由实验数据可以得到不同喷嘴开口下的耗水量、压力及吸风量(接受管直径D=90mm)之间的关系曲线如图5所示。

图5 耗水量、水压、吸风量相关曲线图
5 小结
通过对文丘里管射流器工作参数的理论计算，得出在装置结构确定的情况下，吸风量与耗水量的计算方法，并且通过实验数据的验证，证明该计算方法合理可用，实验结果表明对于确定结构
的文丘里管射流器，其工作水压与耗水量及吸风量成线性增加关系，耗水量及吸风量的大小受工作水压的影响最大，其次是喷嘴和接受管结构等。

文中基于流体力学理论的耗水量及吸风量的计算公式，概念清晰，实用可信，为文丘里管射流装置在煤矿产尘点的推广应用提供了理论依据。