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    當(dāng)不考慮湍流脈動(dòng)時(shí)，可以將湍流核心區(qū)認(rèn)為是均勻流場(chǎng)。在粘性層流邊界層內(nèi)，流體的流速與離壁面的長(zhǎng)度呈直線關(guān)系。

    粉塵在流體中的受力情況如圖2所示。由圖2可知，在水平管道中，重力、浮力、Saffman升力以及Magnus作用力影響粉塵在垂直方向上的沉積。除塵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，粉塵顆粒在湍流核心區(qū)域垂直方向上主要受到重力作用。因此，在水平除塵管道中輸運(yùn)的粉塵一定會(huì)沉積到管壁邊緣的邊界層內(nèi)。

2  粉塵在邊界層內(nèi)的受力分析

    粉塵顆粒在水平管道中重新懸浮起來主要有以下幾種作用因素：紊流分速度、管壁反作用力、壓差作用力、馬格努斯效應(yīng)。

    本文在進(jìn)行邊界層內(nèi)粉塵受力分析時(shí)，僅考慮粉塵已經(jīng)沉積在管壁的極限情況。當(dāng)沉積在管壁上的粉塵能二次懸浮時(shí)，在其他懸浮因素共同影響下，粉塵就一定能夠二次懸浮。因此僅考慮二次懸浮力為靜壓差力，分析粉塵在層流邊界層中的運(yùn)動(dòng)狀況。

2.1粉塵二次懸浮靜壓力

    當(dāng)粉塵沉積到管壁上時(shí)，其底部的流體速度為0，僅有粉塵顆粒頂部有流體流過，其懸浮力FL表達(dá)式為：

2.2管壁邊界層速度分布

    對(duì)于圓管，當(dāng)Re>10⁵時(shí)，邊界層內(nèi)流體的速度分布于距離管壁的距離關(guān)系為：

    將式(3)和式(4)聯(lián)合作圖，如圖3所示，從圖中可以看出：粒徑越小的粉塵，其二次懸浮能力越�。涣�徑越大的粉塵越容易二次懸浮。

將粉塵懸浮速度式(3)與邊界層速度分布式(4)聯(lián)合求解，可以得到不同粒徑粉塵在管道中的臨界懸浮風(fēng)速，關(guān)系式如下：

3  試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    對(duì)式(5)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)管內(nèi)的平均風(fēng)速v _f越大，對(duì)應(yīng)的臨界懸浮粒徑d₀就越小，能夠二次懸浮的粉塵的比例就越大。但是由于粉塵的粒徑在0～150m之間，風(fēng)速不可能無限制增大以此來保證所有的粉塵二次懸浮。因此，必須通過試驗(yàn)的方法探討燒結(jié)粉塵最佳的通風(fēng)速度和與之對(duì)應(yīng)的懸浮粒徑，以及粉塵在邊界層中的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。

    根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了如圖4所示的試驗(yàn)系統(tǒng)，考察粉塵在水平直管道中的最佳通風(fēng)速度。

    為了消除沿管長(zhǎng)方向沉積量變化對(duì)試驗(yàn)的影響，采用多點(diǎn)采樣法。圖4中A、B、C、D為取樣點(diǎn)，每隔1.5 m取一次樣，每次分別取管道的底部、頂部和側(cè)面。每個(gè)取樣點(diǎn)離管道端面的距離為100 mm。

    試驗(yàn)樣品取至燒結(jié)廠布袋除塵器，使用激光粒度分析儀對(duì)樣品進(jìn)行粒度分析，其粒度組成見圖5。

    通過將鐵皮鏤空，彎曲成與試驗(yàn)管道具有相同曲率的弧形，保證了每次取樣面積的一致性。利用酒精清洗管壁的辦法，解決了其他采樣辦法對(duì)管壁邊界層造成流動(dòng)狀態(tài)影響，導(dǎo)致取樣不準(zhǔn)確的難題。采樣結(jié)果見圖6。

    圖6(a)圖是傳統(tǒng)的通過將鋁箔紙貼在管壁對(duì)沉積粉塵進(jìn)行取樣的效果圖，從圖中可知，鋁箔紙的存在嚴(yán)重干擾了粉塵在邊界層內(nèi)的沉積規(guī)律。圖6(b)是通過酒精取樣的效果圖，取樣結(jié)果能很好地滿足試驗(yàn)的需要。

4  試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1沉積粉塵與原料粉塵粒徑對(duì)比

    從圖7中可知：粒徑小于10m的顆粒在原料和沉積粉塵中占有的比例相差不大，均在9%左右；粒徑為10-40m的顆粒，在沉積粉塵中的含量大于在原料中的含量；粒徑大于50m的顆粒，在原料中的含量大于在沉積粉塵中的含量。

    10 m以下的粉塵主要受到湍流擴(kuò)散作用，所以原料和沉積料中粒徑比例變化不大；10-40m粉塵在重力作用下進(jìn)入邊界層且不容易二次懸�。凰�以在沉積料中的比例大于在原料中的比例；40m以上的粉塵在邊界層內(nèi)容易二次懸浮，所以在沉積料中的比例小于在原料中的比例。

4,2粉塵在邊界層中運(yùn)動(dòng)機(jī)理

    從圖8可以看出粉塵在管道中呈現(xiàn)波浪式沉積。分析認(rèn)為粉塵在管道中的運(yùn)移機(jī)理如下：①粉塵中不同粒徑的顆粒在湍流擴(kuò)散作用、重力作用下都有可能會(huì)運(yùn)動(dòng)到管壁的層流邊界層內(nèi)；②粒徑較小的顆粒，進(jìn)入層流邊界層以后，由于其靜壓差作用力小，粉塵不能夠再次懸浮，便逐漸沉積在管壁上。⑧大粒徑的粉塵，由于沉入層流邊界層后，受到靜壓差力的作用容易二次懸浮進(jìn)入湍流主體。因此大粒徑粉塵在垂直方向上是往返于在層流邊界層與湍流主體之間，在水平方向上隨風(fēng)流運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)出跳躍式的前進(jìn)。正是因?yàn)榇箢w粒粉塵跳躍式前進(jìn)，間斷式?jīng)_刷管壁，才使沉積在管壁的小粒徑粉塵重新懸浮，被風(fēng)流帶走，也才導(dǎo)致沉積粉塵呈現(xiàn)波浪式分布。

4.3燒結(jié)粉塵最佳輸運(yùn)風(fēng)速

    從圖9中可知：隨著風(fēng)速的增加粉塵沉積量逐漸減少。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，粉塵沉積量隨風(fēng)速增加快速較少；當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，粉塵沉積量隨風(fēng)速增加較少速度降低。當(dāng)風(fēng)速大于19 m/s的時(shí)候，即使提高風(fēng)速，粉塵沉積量幾乎不再減少。以此可以認(rèn)定最佳通風(fēng)速度為19 m/S。

    輸運(yùn)試驗(yàn)樣品的最佳通風(fēng)速度約為19 m/s；實(shí)驗(yàn)測(cè)得粉塵的真密度約為4.02g/cm³；PVC管的相對(duì)粗糙度為0.009 mm；實(shí)驗(yàn)用管徑為160 mm。將上述參數(shù)代入式(6)可以得到粉塵的懸浮粒徑為107m。參照粉塵在原料中所占的比例，大于107m的顆粒約占粉塵總量的10%。

    根據(jù)上述結(jié)果，對(duì)除塵系統(tǒng)風(fēng)速設(shè)計(jì)時(shí)首先對(duì)粉塵進(jìn)行取樣，進(jìn)行粒徑分析，找出累計(jì)量為90%的粒徑，根據(jù)式(5)可以計(jì)算出通風(fēng)系統(tǒng)最優(yōu)的通風(fēng)速度。

5  結(jié)論

    1)粉塵中小于10m的微粒，主要受湍流擴(kuò)散作用沉積，在沉積粉塵和原料粉塵中所占比例相同。20-40m的粉塵二次懸浮能力小，受重力影響最大，最容易沉積在管壁上。大于40m的粉塵在管道中二次懸浮的能力逐漸加強(qiáng)，不易沉積在管壁上。

  2)粉塵在管道內(nèi)輸運(yùn)機(jī)理是：不同粒徑的粉塵都會(huì)沉入管壁的邊界層內(nèi)，大粒徑粉塵比小粒徑粉塵二次懸浮能力強(qiáng)，對(duì)沉積在管壁上的小粒徑粉塵的進(jìn)行沖刷，導(dǎo)致小粒徑粉塵二次懸浮，從而使粉塵能順利輸運(yùn)出較長(zhǎng)的水平直管。

    3)通過試驗(yàn)得出，二次懸浮粉塵占總粉塵量的10%時(shí)，沉積在管壁上的粉塵能被沖刷完全，此時(shí)的通風(fēng)速度是最優(yōu)通風(fēng)速度，為除塵系統(tǒng)管網(wǎng)風(fēng)速選擇提供依據(jù)。