摘要:

粉尘易引发爆炸事故和人员尘肺病，水雾是应用最广泛的降尘介质，但由于对尘−雾接触后的附着状态缺乏科学认识，喷雾降尘率增长面临瓶颈。通过数值模拟和实验方法，研究了微米尺度下的雾滴−尘粒碰撞行为，得出了尘粒表面液体附着量与4类碰撞行为之间的关系。研究结果显示，降低雾滴表面张力和接触角在低速碰撞有利于避免“反弹”行为发生，也有利于在“膜状飞溅”行为发生时增大尘粒表面的液体附着量。但是，降低雾滴表面张力和接触角也会降低雾滴发生破裂的临界碰撞速度，导致发生“完整并聚”行为的速度范围缩小，对降尘效果有不利影响。同时，还发现降低雾滴粒径和增大雾滴黏度均有利于增大尘−雾碰撞过程中黏性摩擦损失，从而抑制“反弹”行为和雾滴破裂现象发生，有利于增大尘−雾作用后尘粒表面的液体附着量，含0.329%质量分数高分子成分R1001的液滴连续碰撞固体颗粒时，颗粒表面液体残留量比纯水液滴碰撞的情况可提高至少10倍，所以在水中添加增稠成分可显著提升粉尘增重、沉降效果。上述发现可为新型降尘剂开发提供新思路，也可为喷雾降尘工况参数优化提供理论支撑。

粉尘污染问题在我国矿物开采与加工、木料纺织品加工、橡胶与塑料制品加工，农副产品加工、金属制品加工等行业广泛存在。粉尘能引起严重爆炸事故和人员尘肺病。截至2022年，我国累计报告的职业性尘肺病多达92.3万例，死亡率高达22.04%。在真实生产场景中，产尘区域往往具有产尘点分布范围广、尘源难封闭、降尘装置安装空间受限、防爆要求高的特点，限制了部分大体积除尘装备的应用。喷雾降尘技术具有成本低、布置灵活、喷头体积小、本质安全等优势，是粉尘污染场所使用最广泛的降尘技术之一。但是，在尘源难封闭的场景下，喷雾降尘技术的降尘率通常仅为40%～60%。提升喷雾降尘率对于治理生产实际中的粉尘污染问题具有重要意义。

造成水雾降尘率偏低的主要原因分为2方面，一是离散状态的雾滴与尘粒接触概率较低，二是尘−雾接触后附着、增重效果不佳。在提升尘−雾接触概率方面，可通过降低雾滴粒径、增大空间雾密度及粉尘密度的方法实现。而在提升尘−雾附着效果方面，则需从微米尺度阐明尘−雾碰撞工况条件对最终附着特性的影响机理。然而，现有的大量研究主要依据宏观尺度降尘实验和准静态固−液湿润实验来间接推断尘−雾黏附效果，对微米尺度尘−雾动态作用特性认识不清，导致不同学者提出的喷雾技术革新方向存在明显分歧。例如，一些学者主张通过降低表面张力、增大雾滴速度来避免尘−雾作用后发生“反弹”行为，从而提升粉尘与水雾作用后的附着和增重效果。然而，另一些学者却认为表面张力过低、雾滴速度过快会导致尘−雾作用时雾滴破裂并脱离粉尘，进而使粉尘表面液体附着量降低。一些专家指出降低雾滴粒径有利于增大尘−雾接触概率，但也有研究显示雾滴粒径过小会导致雾滴难以完整包裹尘粒。虽然目前喷雾降尘领域的共识是存在一个最佳捕尘雾滴粒径范围，但不同研究团队提出的最佳捕尘雾滴粒径范围尚不统一。还有学者指出增大雾滴黏度有利于提升尘−雾附着效果，但是液体黏度尘−雾动态碰撞过程尚不明确。上述争议导致降尘水雾的粒径、速度、表面张力、黏度等参数的最优范围不明确，难以为高效降尘提供理论指导。

针对上述问题，笔者将通过实验与数值模拟结合的方法研究微米尺度下雾滴与尘粒的作用过程，分析粒径、速度、表面张力、黏度四重因素对尘−雾附着效果的影响，以及揭示尘−雾碰撞行为规律，为喷雾降尘技术革新提供理论支撑。真实的尘−雾碰撞过程涉及风流干扰、尘粒形状差异、尘粒表面特性不均匀、偏心碰撞等复杂条件，但是目前在理想条件下单颗粒雾滴−尘粒作用时的附着规律尚未被前人研究透彻，绕过简单碰撞场景而研究更复杂的碰撞场景是不现实的。因此，笔者仅在对心碰撞场景下开展研究且不考虑风流干扰、尘粒形状差异、尘粒表面特性不均匀、偏心碰撞等条件，研究成果可为后续研究更复杂条件下的尘−雾作用过程奠定基础。

1.实验装置、材料及工况布置

1.1尘−液碰撞实验装置

为确保每次实验保持一致，实验采用电自动微量注射器产生大小一致的实验液滴，并通过调节不同高度的注射器来改变液滴−颗粒碰撞速度。为防止环境气流对液滴轨迹的影响，在注射器下方设置了一个空心圆筒。在三轴光学平台上设置了样品颗粒支座，利用EVA热熔胶将样品颗粒固定在支座的金属支撑丝上。颗粒的位置可通过三轴光学平台进行调整。使用了Phantom VEO410L高速相机(Vision Research公司)对碰撞过程进行捕捉拍摄。相机和光源分别位于样品颗粒的两侧。相机的拍摄频率设定为2 000 fps，图像分辨率为1280×800像素。

图1液滴−颗粒碰撞实验装置

1.2实验样品特性分析与选择

由于固、液两相的表面特性会显著影响固−液接触角，从而影响液滴与颗粒的碰撞行为，笔者通过实验测量和文献分析，对比了固、液特性的变化对接触角的影响。表1列出了测量固、液特性时所使用的具体仪器及添加剂。表2给出了不同固体和液体样品的接触角、表面张力和黏度。其中高度疏水固体ST1与不同液体接触角通过实测得出，中度疏水固体ST2和亲水固体ST3的测量数据来自ZHU等的研究。对比后发现，前进接触角α明显大于后退接触角β，所以在分析尘−雾湿润特性时应考虑前进角和后退角的差异。

表1实验材料以及测量仪器

表2不同类型液体与固体的湿润特性

1.3连续碰撞实验的工况设置

为了分析液体表面张力及黏度变化对固液黏附效果的影响，笔者按表3中设定的工况条件进行了液滴−颗粒连续碰撞实验。当韦伯数(We)达到500时，固−液碰撞时会发生膜状飞溅现象。为了观测改变液滴表面张力及黏度后是否显著增大颗粒表面的液体附着量，笔者将对照组的碰撞韦伯数设置大于500，当碰撞发生后使对照组颗粒样品表面仅附着少量液体。

表3验证液滴黏度影响的实验工况参数

因此，碰撞速度v0设为3 m/s，液滴直径dd设为4 mm。v0的大小通过液滴颗粒之间的竖直高度来设定，具体计算式为v0=√￣2gH，其中g为重力加速度，H为竖直高度，数值为40 cm。由于实验误差，v0测量值为3.1 m/s,dd测量值为3.93±0.1 mm。详细的条件参数设置见表3。使用高速摄像机记录样品颗粒上剩余的附着液体量。