風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的實驗裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的實驗裝置及方法，其包括由有機玻璃制成的模擬管道，該模擬管道設置有入風口與出風口，模擬管道靠近入風口處設置有粉塵發射器，模擬管道另一端設置有與粉塵發射器相向布置的水霧噴嘴，模擬管道在與耦合沉降區域對應處均勻布置有多個間隙，每個間隙形成激光檢測區，模擬管道兩側分別設置有激光多普勒干涉儀，激光多普勒干涉儀能掃描對應的激光檢測區。能夠模擬大氣環境中噴霧場下的風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的狀況，能夠測試不同類型噴嘴的降塵效果，為研發高效噴嘴提供技術支持；可以選擇性開啟噴嘴的數量及位置，為研發高效噴霧設備提供技術支持。
【專利說明】 風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的實驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的實驗裝置及方法。
【背景技術】
[0002]近幾年，霧霾天氣現象日漸增多，使空氣質量明顯降低，嚴重影響人們的身心健康。首先，霧霾中的PM 2.5威脅新生兒健康，霧天日照減少，兒童紫外線照射不足，體內維生素D生成不足，對鈣的吸收大大減少，兒童生長減慢。其次，霾的組成成分非常復雜，它能直接進入并粘附在人體呼吸道和肺泡中，引起急性鼻炎和急性支氣管炎等病癥，如果長期處于這種環境還會誘發肺癌。再次，霧霾天氣空氣中污染物多、氣壓低，容易誘發心血管疾病的急性發作。最后，霧霾中的一些化合物通過光化學反應，產生含劇毒的光化學煙霧，嚴重威脅人類生命。
[0003]另外，塵肺病是我國第一大職業病，根據國家衛生計生委通報，2012年全國報告職業病27420例，塵肺病24206例，占88.3%，其中，煤炭行業塵肺病22997例，占塵肺病總例數的95%。由此可見，預防我國職業病的關鍵是預防塵肺病，預防塵肺病的關鍵是預防煤炭行業塵肺病。
[0004]不管是針對霧霾天氣中的PM 2.5還是煤炭行業的粉塵，目前所采用的主要技術手段還是噴霧降塵。國內外大量研究成果表明，在風流、霧滴與塵粒三相介質的耦合沉降過程中，霧滴粒徑的大小至關重要。一般認為當霧滴粒徑為塵粒粒徑的8-10倍時，霧滴與塵粒的耦合沉降效果最優。在實際噴霧過程中，產生的霧滴粒徑很難達到10 μ m以下，基本可認為霧滴粒徑越小，耦合沉降塵粒的效果越好。噴霧霧滴粒徑的大小受多種因素影響，其中，對噴霧場霧滴測點的布置方法，噴嘴的種類、位置和數量，霧滴的粒徑和速度，以及風速大小對耦合降塵影響的研究尤為重要，但國內外學者所研究的降塵技術，在測點的布置，噴嘴種類、位置和數量，霧滴的粒徑和速度，以及加入風流進行三相介質耦合沉降的實驗裝置和方法的研究較少，總體上缺乏理論和實驗依據。
[0005]綜上所述，現有技術有待更進一步的改進和發展。
【發明內容】
[0006]鑒于上述現有技術的不足，本發明提供的一種風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的實驗裝置及方法，為風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降提供試驗數據，為降塵、控塵提供理論依據。
[0007]為解決上述技術問題，本發明方案包括:
[0008]一種用于風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的實驗裝置，其包括由有機玻璃制成的模擬管道，其中，該模擬管道一端設置有用于導入模擬風流的入風口，另一端設置有出風口，模擬管道靠近入風口處設置有粉塵發射器，模擬管道另一端設置有與粉塵發射器相向布置的水霧噴嘴，粉塵發射器產生的塵場隨風流向出風口方向移動，水霧噴嘴產生的水霧向入風口方向噴射，水霧與塵場在模擬管道內形成耦合沉降區域，模擬管道在與耦合沉降區域對應處均勻布置有多個間隙，每個間隙形成激光檢測區，模擬管道兩側分別設置有激光多普勒干涉儀，激光多普勒干涉儀能掃描對應的激光檢測區；模擬管道與塵場對應處均勻布置有多個氣壓風速計，水霧噴嘴與出風口之間的模擬管道內均勻布置有多個PM2.5顆粒物采樣器；激光多普勒干涉儀、氣壓風速計、PM2.5顆粒物采樣器均與一數據處理器通信連接。
[0009]所述的實驗裝置，其中，上述入風口處設置有一壓入式風機，壓入式風機與入風口通過密封膠進行密封連接，壓入式風機與一無極變頻器電路連接。
[0010]所述的實驗裝置，其中，上述模擬管道的底部上均勻布置有多個通孔，多個通孔形成排水區域，模擬管道底部上鉚接有U型排水槽，該U型排水槽與排水區域相對應；u型排水槽一端與一排水管相連通，該排水管上設置有一過濾器。
[0011]所述的實驗裝置，其中，模擬管道底部設置圓心角為90° -120°的圓弧狀固定板，固定板底部上均勻布置有多個能調節高度的支撐柱，使模擬管道的傾斜角度在3° -5°之間。
[0012]所述的實驗裝置，其中，上述模擬管道內頂部設置有至少一根直線滑道，直線滑道上均勻布置有多個固定位，氣壓風速計、PM2.5顆粒物采樣器均通過對應的固定桿設置在對應直線滑道上。
[0013]所述的實驗裝置，其中，上述水霧噴嘴與粉塵發射器均布置在模擬管道的中線上，水霧噴嘴通過高壓泵與一儲水箱相連通。
[0014]所述的實驗裝置，其中，上述激光多普勒干涉儀均配置有支架，支架包括一滑軌，滑軌的兩端分別設置有三腳支撐架，激光多普勒干涉儀設置在對應的滑軌上，兩個激光多普勒干涉儀保持同步移動。
[0015]所述的實驗裝置，其中，上述每個間隙上均設置有多個測點，自水霧噴嘴至粉塵發射器方向上，間隙上的測點數量逐步增加。
[0016]一種使用所述實驗裝置的方法，其包括以下步驟:
[0017]打開粉塵發射器，使粉塵隨風流的形成穩定的粉塵場，與此同時，打開模擬管道后方的水霧噴嘴，形成穩定的霧滴場，當粉塵-霧滴場相碰撞耦合后，通過激光多普勒干涉儀、氣壓風速計、PM2.5顆粒物采樣器分別測定不同情況下不同測點處的霧滴粒徑、霧滴速度以及通過霧滴場后的粉塵濃度，并將霧滴粒徑、霧滴速度以及通過霧滴場后粉塵濃度的數據傳輸至數據處理器進行處理。
[0018]本發明提供了一種風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的實驗裝置及方法，本發明能夠模擬大氣環境中噴霧場下的風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的狀況，能夠測試不同類型噴嘴的降塵效果，為研發高效噴嘴提供技術支持；可以選擇性開啟噴嘴的數量及位置，為研發高效噴霧設備提供技術支持；能夠通過調整噴霧水壓，研究噴霧水壓對噴霧降塵效果的影響，為不同噴嘴選擇合適噴水壓力提供技術支持；通過控制噴霧場風速大小，研究風速對噴霧效果的影響；通過改變發射粉塵的粒徑范圍，為研究不同塵源選擇合適的噴霧設備提供技術支持，為風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降提供試驗數據，為降塵、控塵提供了理論依據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明中實驗裝置的結構示意圖；
[0020]圖2是本發明中風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]本發明提供了一種風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的實驗裝置及方法，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0022]本發明提供了一種風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的實驗裝置及方法，如圖1與圖2所示的，其包括由有機玻璃制成的模擬管道I，其中，該模擬管道I 一端設置有用于導入模擬風流的入風口 2，另一端設置有出風口 3，模擬管道I靠近入風口 2處設置有粉塵發射器4，模擬管道I另一端設置有與粉塵發射器4相向布置的水霧噴嘴5，顯然的粉塵發射器4與水霧噴嘴5之間的距離可以根據需要進行合理調整，比如距離2m、3m、5m等，在此不再一一贅述。粉塵發射器4產生的塵場隨風流向出風口 3方向移動，水霧噴嘴5產生的水霧向入風口 2方向噴射，水霧與塵場在模擬管道I內形成耦合沉降區域，模擬管道I在與耦合沉降區域對應處均勻布置有多個間隙6，每個間隙6形成激光檢測區，模擬管道I兩側分別設置有激光多普勒干涉儀7，激光多普勒干涉儀7能掃描對應的激光檢測區；模擬管道I與塵場對應處均勻布置有多個氣壓風速計8，水霧噴嘴5與出風口 3之間的模擬管道I內均勻布置有多個PM2.5顆粒物采樣器9 ;激光多普勒干涉儀7、氣壓風速計8、PM2.5顆粒物采樣器9均與一數據處理器10通信連接，數據處理器10可以采用筆記本電腦、臺式電腦等設備。
[0023]本發明在三相介質耦合沉降模擬管道I內設置粉塵發射器4、氣壓風速計8、PM
2.5顆粒物采樣器9等設備，粉塵發射器4按照實驗要求產生一定濃度和不同粒度范圍的粉塵，同時可以采用風機等設備提供相應風速與壓力的風流，經粉塵發射器4攜帶一定量粉塵在模擬管道中流動，部分風流攜帶粉塵擴散至三相介質耦合沉降模擬管道I中后部，與此同時，水霧噴嘴5向前方噴出霧滴，霧滴與粉塵在管道中部發生耦合沉降，激光多普勒分析儀7和PM2.5顆粒物采樣器9以及氣壓風速計8采集模擬管道I內的相關數據，最后含塵風流從出風口 3吹出，通過數據處理器10分析測得的相關數據，從而得到不同實驗條件下風流、霧滴及粉塵沉降數據，為科學合理的優化噴嘴、調整噴霧水壓、控制風速實現最佳噴霧效果和研發噴霧設備、檢測噴霧設備的降塵效果提供可靠的技術支持。
[0024]更進一步的，上述入風口 2處設置有一壓入式風機11，壓入式風機11與入風口 2通過密封膠進行密封連接，防止漏風；壓入式風機11與一無極變頻器12電路連接。壓入式風機11可通過無極變頻器12實現0-1000m3/min風量的任意調節，來測定不同風速調節下對耦合沉降測定實驗的影響。
[0025]在本發明的另一較佳實施例中，上述模擬管道I的底部上均勻布置有多個通孔，多個通孔形成排水區域，模擬管道I底部上鉚接有U型排水槽13，該U型排水槽13與排水區域相對應;U型排水槽13 —端與一排水管14相連通，該排水管14上設置有一過濾器15，對含有微米級粉塵顆粒的污水進行凈化處理排放，避免了實驗造成的環境污染。
[0026]更進一步的，模擬管道I底部設置圓心角為90° -120°的圓弧狀固定板16，固定板16底部上均勻布置有多個能調節高度的支撐柱17，可以通過調整支撐柱17使模擬管道I的傾斜角度在3° -5°之間，便于模擬管道I底部污水的流動。
[0027]在本發明的另一較為優選的實施例中，上述模擬管道I內頂部設置有至少一根直線滑道18，直線滑道18上均勻布置有多個固定位，氣壓風速計8、PM2.5顆粒物采樣器9均通過對應的固定桿設置在對應直線滑道18上。顯然的可以設置多根直線滑道18，以及多個氣壓風速計8、PM2.5顆粒物采樣器9，從而可以采集到模擬管道I內同一斷面不同位置以及多個斷面的相關數據，提高數據采集的全面性。并且氣壓風速計8、PM2.5顆粒物采樣器9可以根據需要固定在直線滑道18上對應的固定位上，可以根據需要調整其不同位置。
[0028]更進一步的，上述水霧噴嘴5與粉塵發射器4均布置在模擬管道I的中線上，從而可以使風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降更加充分，當然也可以改變水霧噴嘴5與粉塵發射器4的布置位置，進而獲得其他狀態下的相關數據。水霧噴嘴5通過高壓泵19與一儲水箱20相連通，當然，其連通過程中需要對應的連接水管25進行連接，為水霧噴嘴5提供水源。
[0029]更進一步的，上述激光多普勒干涉儀7均配置有支架，支架包括一滑軌21，滑軌21的兩端分別設置有三腳支撐架22，激光多普勒干涉儀7設置在對應的滑軌上，兩個激光多普勒干涉儀7保持同步移動，從而提高了對激光檢測區的檢測準確率。
[0030]而且上述每個間隙6上均設置有多個測點，自水霧噴嘴5至粉塵發射器4方向上，間隙6上的測點數量逐步增加。其具體的如圖2所示的，比如，耦合沉降區域在模擬管道中的分布分為漸擴段23和平滑段24。在距模擬管道I前端4.5m-6.5m之間開六條間隔為
0.3m-0.4m、寬度為0.02m_0.03m的間隙6，即由間隙6形成的激光檢測區，其中需在漸擴段23均勻布置的測點為四列，在平滑段布置的測點為兩列，自水霧噴嘴5至粉塵發射器4方向上，間隙6上的測點數量逐步增加，其中靠近水霧噴嘴5 —側的間隙6標號為1，其余依次為2、3、4、5、6，其中I列測點數量為三個，2列測點數量為五個，3列測點數量為七個，4列測點數量為九個，5列和6列測點數量為十三個，激光多普勒干涉儀7在滑軌21與三腳支撐架22的調整下分別對上述五十一個測點進行測定，得出霧滴場霧滴粒徑大小的分布數據，獲取更為詳盡的數據。
[0031]本發明還提供了一種使用所述實驗裝置的方法，其包括以下步驟:
[0032]打開粉塵發射器4，使粉塵隨風流的形成穩定的粉塵場，與此同時，打開模擬管道I后方的水霧噴嘴5，形成穩定的霧滴場，當粉塵-霧滴場相碰撞耦合后，通過激光多普勒干涉儀7、氣壓風速計8、PM2.5顆粒物采樣器9分別測定不同情況下不同測點處的霧滴粒徑、霧滴速度以及通過霧滴場后的粉塵濃度，并將霧滴粒徑、霧滴速度以及通過霧滴場后粉塵濃度的數據傳輸至數據處理器進行處理。能夠測試不同類型噴嘴的降塵效果，為研發高效噴嘴提供技術支持；可以選擇性開啟噴嘴的數量及位置，為研發高效噴霧設備提供技術支持；能夠通過調整噴霧水壓，研究噴霧水壓對噴霧降塵效果的影響，為不同噴嘴選擇合適噴水壓力提供技術支持；通過控制噴霧場風速大小，研究風速對噴霧效果的影響；通過改變發射粉塵的粒徑范圍，為研究不同塵源選擇合適的噴霧設備提供技術支持，為風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降提供試驗數據，為降塵、控塵提供了理論依據。
[0033]為了更進一步描述本發明的技術方案，以下列舉更為詳盡的實施例進行說明。
[0034]實驗裝置包括有模擬管道I內設置有三條直線滑道18并列安裝在模擬管道I頂部，水平間距為0.3m-0.4m。模擬管道I由厚度0.0lm-0.03m的有機玻璃搭配剛骨架制成，外部輪廓是半徑為1.5m的圓形，模擬管道I總長度為10m，模擬管道I圓形模擬管道能更好保證風流的穩定。直線滑道18為8m-10m，用來移動氣壓風速計8進行風速測定，每個斷面按照上、下、左、右、中五個位置相距0.4m-0.6m的距離來安放氣壓風速計8。利用氣壓風速計8收集模擬管道5內不同斷面和同一斷面不同位置的風速，為氣載粉塵運移規律的總結提供依據。
[0035]更進一步的，模擬管道I內設置五個PM 2.5顆粒物采樣器9，通過固定桿安設在直線滑道18上，分別測定距離模擬管道I之出風口 3前端2m、3m、4m、5m、6m、7m、Sm處不同斷面的粉塵濃度分布情況，每個斷面按照上、下、左、右、中五個位置分別安設相距0.4m-0.6m的五個PM 2.5顆粒物采樣器9。通過PM 2.5顆粒物采樣器9可收集模擬管道5內不同斷面和同一端面不同位置的粉塵濃度，為氣載粉塵運移規律的確定提供支持。
[0036]并且在距模擬管道I之出風口 3前端6m_8m處安設一個半徑為0.4m_0.5m的圓形板和一個中間桿組成的噴霧結構，在噴霧結構上安設均勻分布的八到十個水霧噴嘴5，中間桿安設均勻分布的三到五個水霧噴嘴5。可按照實驗要求控制噴嘴數量實現噴霧，來測定噴嘴個數對降塵效率的影響。水霧噴嘴5通過高壓泵19與一儲水箱20相連通，為水霧噴嘴5提供水源，儲水箱20的半徑為lm-2m、高lm_2m，能夠為水霧噴嘴5提供不同大小的水壓，來測定水壓與霧滴場霧滴直徑的之間的關系，為實現最佳噴霧效果優選不同大小水壓做技術支持。
[0037]模擬管道I模擬管道底部每隔0.5m開一個半徑為0.0lm的圓形圓孔共十六到二十個，使用鉚接將Sm-1Om長的U型排水槽13安設在模擬管道I模擬管道圓形底部，由噴霧降塵產生的污水通過圓孔流入U型排水槽13，并在U型排水槽13后端連接該排水管14，將污水引入過濾器15內，其中過濾器15為保安過濾器，，對含有微米級粉塵顆粒的污水進行凈化處理排放，避免實驗造成的環境污染。
[0038]而且模擬管道I底部設置90° -120°圓弧狀，厚度為0.02m_0.03m的鐵板來固定住模擬管道1，下端焊接高度為0.4m-0.6m的支撐柱17，并在支撐柱17底部使用調節螺栓來實現高度的調節，使模擬管道I整體有3° -5°的傾斜度，便于模擬管道I底部污水的流動。
[0039]更進一步的，在模擬管道I之入風口 2安設壓入式風機11，并在端面處開一個與風機出口形狀相吻合的通風口，并采用密封膠對連接處進行密封，防止漏風。壓入式風機11可通過無極變頻器12實現0-1000m3/min風量的任意調節，來測定不同風速調節下對耦合沉降測定實驗的影響。
[0040]而且在距模擬管道I之出風口 3前端4.5m-6.5m之間開六到八條條間隔為
0.3m-0.4m、寬度為0.02m_0.03m的間隙6，通過安設三腳支撐架22來調整激光多普勒干涉儀7測定高度，并將該激光多普勒干涉儀7安設在長度為2m-4m的滑軌21上，便于按照圖2所示的測點使用激光多普勒干涉儀7對霧滴粒徑、速度進行測定。
[0041]當然，以上說明僅僅為本發明的較佳實施例，本發明并不限于列舉上述實施例，應當說明的是，任何熟悉本領域的技術人員在本說明書的教導下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實質范圍之內，理應受到本發明的保護。
【權利要求】
1.一種用于風流-霧滴-粉塵三相介質耦合沉降的實驗裝置，其包括由有機玻璃制成的模擬管道，其特征在于，該模擬管道一端設置有用于導入模擬風流的入風口，另一端設置有出風口，模擬管道靠近入風口處設置有粉塵發射器，模擬管道另一端設置有與粉塵發射器相向布置的水霧噴嘴，粉塵發射器產生的塵場隨風流向出風口方向移動，水霧噴嘴產生的水霧向入風口方向噴射，水霧與塵場在模擬管道內形成耦合沉降區域，模擬管道在與耦合沉降區域對應處均勻布置有多個間隙，每個間隙形成激光檢測區，模擬管道兩側分別設置有激光多普勒干涉儀，激光多普勒干涉儀能掃描對應的激光檢測區；模擬管道與塵場對應處均勻布置有多個氣壓風速計，水霧噴嘴與出風口之間的模擬管道內均勻布置有多個PM2.5顆粒物采樣器；激光多普勒干涉儀、氣壓風速計、PM2.5顆粒物采樣器均與一數據處理器通信連接。
2.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，上述入風口處設置有一壓入式風機，壓入式風機與入風口通過密封膠進行密封連接，壓入式風機與一無極變頻器電路連接。
3.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，上述模擬管道的底部上均勻布置有多個通孔，多個通孔形成排水區域，模擬管道底部上鉚接有U型排水槽，該U型排水槽與排水區域相對應；u型排水槽一端與一排水管相連通，該排水管上設置有一過濾器。
4.根據權利要求3所述的實驗裝置，其特征在于，模擬管道底部設置圓心角為90° -120°的圓弧狀固定板，固定板底部上均勻布置有多個能調節高度的支撐柱，使模擬管道的傾斜角度在3° -5°之間。
5.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，上述模擬管道內頂部設置有至少一根直線滑道，直線滑道上均勻布置有多個固定位，氣壓風速計、PM2.5顆粒物采樣器均通過對應的固定桿設置在對應直線滑道上。
6.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，上述水霧噴嘴與粉塵發射器均布置在模擬管道的中線上，水霧噴嘴通過高壓泵與一儲水箱相連通。
7.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，上述激光多普勒干涉儀均配置有支架，支架包括一滑軌，滑軌的兩端分別設置有三腳支撐架，激光多普勒干涉儀設置在對應的滑軌上，兩個激光多普勒干涉儀保持同步移動。
8.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，上述每個間隙上均設置有多個測點，自水霧噴嘴至粉塵發射器方向上，間隙上的測點數量逐步增加。
9.一種使用如權利要求1所述實驗裝置的方法，其包括以下步驟: 打開粉塵發射器，使粉塵隨風流的形成穩定的粉塵場，與此同時，打開模擬管道后方的水霧噴嘴，形成穩定的霧滴場，當粉塵-霧滴場相碰撞耦合后，通過激光多普勒干涉儀、氣壓風速計、PM2.5顆粒物采樣器分別測定不同情況下不同測點處的霧滴粒徑、霧滴速度以及通過霧滴場后的粉塵濃度，并將霧滴粒徑、霧滴速度以及通過霧滴場后粉塵濃度的數據傳輸至數據處理器進行處理。
【文檔編號】G01N15/04GK104198344SQ201410406969
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】聶文, 程衛民, 周剛, 崔向飛, 馬有營, 于海明, 馬驍, 王飛 申請人:山東科技大學