东北大学
硕士学位论文
湿式振动矩形金属纤维除尘理论分析和仿真
姓名：刘冰心
申请学位级别：硕士
专业：安全技术及工程
指导教师：王福成
20031201
湿式振动矩形金属纤维除尘理论分析和仿真
摘要
湿式振动纤维过滤除尘技术，以其高效低阻的优越性能，被认为是具有较人丌发潜力的一～项新技术。但是，已有的研究多偏重于实用技术和装胃结构的研究，而对其除尘作用机制的理论探讨，主要集中在圆形纤维的理论研究，目前对矩形纤维的理论研究在国内外都比较薄弱。本论文的研究内容，则侧重于矩形纤维的除尘机理的研究，重点研究矩形金属纤维问的最佳间距，速度流场的分布，最佳振动频率，并通过计算机软件对阻力和效率进行分析和仿真，找出简单易行的阻力和效率公式。
首先，本文以纤维和水为研究对象，运用表面物理理论和物理化学的知识，分析了水滴在纤维上的存在原因和存在形式，并通过显微镜观察静态时水在纤维栅一１－的几种湿润状态，从有利于形成水膜，提高除尘效率的角度出发，通过观察和计算提出了矩形纤维的最佳问距。
其次，通过分析纤维振动的原因，找出导致矩形纤维振动的影响因素，并分析了风流通过矩形纤维后的存在形式。根掘矩形纤维绕流的斯特罗哈数与雷诺数的变化关系，确定了矩形纤维产生振动的最佳振动频率。
然后，运用流体力学和工程复变函数的知识，采用保角变换理论，通过建立势函数，求得流体绕流矩形纤维的速度分稚函数。
最后，通过对回归理论进行分析，了解各种回归方程的特点和其使用范围。通过对湿式振动矩形纤维的试验数据进行分析，采用计算机语古进行编程，没计一套宠枢的人机界而友好的分析软件。并利用编制的计算机软件，列‘振动矩形纤维栅的试验数据进行分析，建立阻力和效率与速度和层数的函数关系，通过训算机软ｆｑ＝．Ｈ。算，求出采用不同的回归模型得出的不同均方误差，最后利』玎最小的均方误筹的回归模型作为阻力和效率与速度和层数的回归模型。通过仿真，得州驵力和效率的函数关系，℃。并利用推导出的关系式对湿式振动剧形纤维栅的试验数抓进行验证，最后证明其具有较好的吻合性，并具有一定的通用性。
关键词：湿式振动矩形会属纤维最佳川距振动频率速度函数斯特罗哈数仿真
ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＳｔｕｄｙａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＷｅｔＶｉｂｒａｔｉｏｎ
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ＫＥＹＷ０ｌＩＤＳ：ｗｅｔｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｍｅｔａｌｆｉｂｒｅ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｉｓｔａｎｃｅ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｓｐｅｅｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，Ｓｔｒｏｕｈａｌｖａｌｕｅ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
声明
本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导卜．完成的。论文取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
本人签名：势ｆ妹心，
日期：７帕３．ｆ矿
１绪论
１．１引言
工业Ｊ二湿式除尘器的结构形式较多，有喷淋塔、填料式洗涤器、泡沫除尘器、冲击式水浴除尘器、旋风水膜除尘器、文丘罩洗涤器等。美国矿业局于１９７２年曾对数种已在井下工作面使用的湿式除尘器进行测定评价，结果表明除了文氏管外，其余除尘器的呼吸性粉尘除尘效率均不超过９０％，难以使粉尘浓度达到国家的标准。近２０年来，国外非常重视新型湿式除尘器的研究，他们以体积小、结构紧凑。简单可靠、耗能低及对呼吸性粉尘捕集效率高为主攻目标，研制出一种新型除尘器——湿润层除尘器。通常将１９７８年皮｝尊迪（Ｐｅａｂｏｄｙ）煤矿对这种除尘器的首次成功应用（工作面粉尘浓度达ＭＳＩｔＡ标准）看作是一次重大的技术革新，该除尘器被认为是目前最满意的除尘器之一。美、英等国在矿山较普遍地使用同时，仍在对该除尘器进行不断的研究改进…。下面就除尘器的国内外发展进行回顾。
１．２国内外湿润层除尘器的发展
１．２．１国外湿润层除尘器的发展“
湿润层除尘器有插板式和旋转式两种。
１．２．１．１插板式湿润层除尘器
美国ＪｏｙＭｉｃｒｏｄｙｎｅ湿润层除尘器，主要由喷雾器、金属丝筛网衬垫组成的湿润层，离心分离段及水循环系统组成。美国矿业局的湿润层除尘器的湿润层，是由直径０．０９ｍｍ的不锈钢丝特殊编制而成，层厚约１５０ｍｍ。当风量为０．４７～０．８ｍ３／ｓ时，呼吸性煤尘的捕集效率可达９３．４％～９８．１％，阻力约为８３０～１７５０Ｐａ。此种除尘器曾在加拿大Ｐｒｏｎｔｏ矿的溜井防尘系统中得到使甩㈦。
英国采矿研究所研制的湿润层除尘器把轴流风机、过滤板、脱水器与水循环
系统组装成一个整体，有滑行模板便于搬迁。外形尺寸为１２８０ｘ１０００ｘ２３００ｍｍ。
过滤板的湿润层由７层波形过滤筛网组成，各层过滤网又交替地使用直径分别为１５２ｕｍ与２５４ｐｍ的不锈钢丝特殊编织而成，湿润层的孔隙率约为８８％。除尘器在处理风量为２～４ｍ３／ｓ，阻力仅为７００１４００Ｐａ，对呼吸性煤尘的捕集效率达９３．８％～９５．４％，总粉尘的捕集效率为９９．８％。至１９８３年，英国已生产５００台这种除尘器，其中约有１００台出口，日木就引进了１０台。
南非矿Ｌ【Ｉ通＿｜＝｛ｊ除尘器，其构造与上述除尘器基本相同，技术性能也相当。此类除尘器的湿润层采用插板式的目的，是在必要时能轻易地从除尘器中取出湿润层，以便于清洗和更换。
１．２．１．２旋转层湿式除尘器［１］
前苏联发明了两种结构的旋转层式除尘器。一种是在湿式除尘器的基础上加入旋转的冲击凝并器，主要包括喷嘴、水引射器、转动式凝并器，其中每个凝并器又由两个彼此相对的圆盘组成。每个圆盘上按螺旋线钻一些小孔，穿上纤维。凝并器后有泥浆分离器。工作时，水引射器引人含尘空气并润湿粉尘，同时使凝并器产生转动，在螺旋线间由于冲击碰撞作用，使微尘润湿和凝并得以强化，从而达到除尘的目的。另一种旋转层除尘器的结构是由喷淋器、辅助喷淋器及叶片式旋流器组成。为了提高微细粉尘的除尘效率，在叶片的另一侧或两侧增设用金属丝做成的冲突网。除尘器工作时，旋流器叶片上的冲突网和纵向运动的水漓、尘粒碰撞，使微细粉尘的湿润和凝并得到加强。
美国的旋转层式除尘器是具有较高转速的湿润层。它由聚丙烯、金属丝网有布叠装层组成，互相交错以减少网孔孔径。湿润层厚３．１８～６．３５ｍｍ。这不仅提高了除尘效率，而且能有效地除雾。
ＡｇｒａｎｏｖｓｋＪ和Ｗｈｉｔｃｏｍｂｅ针对粘性粉尘粒子的特性，在实验室研究了湿润层过滤器的可行性。湿润层过滤器的结构是由喷雾装置和纤维过滤层组成的。同时设计了工业装置，安装于镀锌工厂进行了工业实验。当粉尘粒径范围在０．１１１ｍ到１０ｕｍ之间，常规湿式洗涤器的除尘效率是７９％的情况下，安装湿润层过滤器后，除尘效率提高到９８．６％，并且对于氯化物的过滤效率也达到了９８％。效率提高的
一２一
同时过滤阻力也相应增加‘”。
１．２．２国内湿润层除尘器
中国在湿润层除尘器的研究与应用【上Ｉ取得了突出进展。其中主要有：湿式旋流除尘器、ＪＴｃ一１型湿式除尘器、ＳＬＣ系列湿式化纤除尘器、湿式金属同过滤器、湿式纤维栅除：睦器等等，卜．面就各种除尘器进行描述。
１．２．２．１湿式旋流除尘器
马鞍山矿山研究院于７０年代后期研制成两种规格管湿式除尘器及湿润层除尘风机…４１，由冲突网、发雾盘、脱水器和后导流器等构成。冲突网一般由２—５层１６—６０目的金属网或尼龙网组成。其处理风量为２。３ｍ３／ｓ，阻力约１０００－－２５００Ｐａ，耗水量１４Ｌ／ｍｉｎ，除尘效率８０—９５％【５】。
１．２．２．２ＪＴＣ—Ｉ型湿式除尘器【１】
煤炭科学院研制出的一种有湿润层的湿式除尘器命名为ＪＴＣ一１型掘进通风除尘器。它与以往湿式除尘器的主要区别是设置了不锈钢筛网过滤器，同时设有供定期反向冲洗过滤器中不锈钢滤网以防堵塞喷嘴。其处理风量为２．５～３．３ｍ３／ｓ，阻力为１４７１Ｐａ，耗水０．１２～Ｏ．１６Ｌ／ｍ３，呼吸性粉尘除尘效率达９５～９８％，在矿山中的除尘效率为８０．２％。
１．２．２．３￥ＬＯ系列湿式化纤除尘器【６?７｝８】
东北大学比较系统地丌展了矿用湿式化纤过滤除尘技术的研究，ＳＬＣ系列湿式化纤除尘器是其除尘技术成果之一。在ＳＬｃ型除尘器中，湿润层是以维纶丝作粘接剂的涤纶丝混梳型纤维层，层厚５ｍｍ，纤维直径０．０４ｍｍ，充填率２．３％。纤维层适宜的过滤风速小于３ｍ／ｓ。其处理风量为２．８～４．８ｍ’／ｓ，阻力为９８０Ｐａ，耗水
０，０９～（）．１２Ｌ／ｍ３，呼吸性粉尘除尘效率达９６．５％。此种湿式纤维过滤技术曾在矿山的入口作风源净化，并在溜矿井、掘进巷道及选矿皮带转载点等除尘点试用。
１．２．２．４湿式金属网过滤器
冶金Ｒｌｊ安全环境研究院研制的湿式金属网过滤除尘器主要由垂直布置的若干层会属网、喷雾器和箱体等组成。金属网分为平型和波型两种，金属网可布置成一字形、Ｖ型、ｗ型。湿式金属网除尘器肘了二小于２ｕｍ粉尘的除尘效率可达９０％；对于５“Ｉｌｌ以上的粉尘有着较高的除尘效率，可达９５％以上（９ｌ。郭勇义等实验研究了网孔风速在ｌ，５～１．９９ｍ／Ｓ，喷水量在０，１７４～０。６１７ｋｇ／ｓ的范圈内变化时湿式金属网过滤器的性能。实验结果表明湿式金属网过滤效率随阻力增加而增加，当过滤阻力在６００Ｐａ时，除尘效率为９５％，阻力超过６００Ｐａ时，效率增加的幅度减小㈣。
１．２．２．５湿式纤维栅除尘器
湿式纤维栅结构是由喷雾装置与纤维栅组成的，纤维层的结构是长纤维上下纵向布置形成一根紧靠一根的栅栏，当一层纤维栅过滤效果不理想时，可以增加纤维栅的层数，直至达到理想的过滤效果。根据不同的除尘目的可以选用不同过滤性能的纤维滤料。由于消除了横向纤维对清灰带来的负作用，使清灰变得简单，阻力下降。目前，在国外，纤维栅的应用研究尚处于试验阶段””。我国在９０年代研制出湿式金属纤维栅除尘器¨２“３’““”。至今，已成功地应用在掘进循环通风防尘、燃煤烟气的除尘脱硫和露天矿的开采中。它主要由实心喷雾器、金属纤维栅嵌板及悬流分离器组成，其特点是作为湿润层的纤维栅中的纤维是出直径为０．１２ｍｍ的不锈钢丝特殊编制而成，纤维层厚４．５ｍｍ，充填率５．６％，允许通过风速达３ｍ／ｓ。处理风量为１．４～２．３ｍ’／ｓ，阻力为５９１～１１３２Ｐａ，呼吸性粉尘除尘效率达９８％。该除尘器曾在矿井平巷双机掘进时应用，应用循环通风就地净化粉尘的方法，使岗位平均粉尘浓度由４．３ｍＣｍ３降至１．６２ｍｇ／ｍ３。在露天矿井潜孔钻井打眼，湿式收尘中除尘效率达９９．９５％”７１。在燃煤脱硫工程实际应用中¨８”Ｊ，对
——４一
５ｕｍ以Ｆ的微细颗粒的除尘效率在９０一９８％之问，脱硫效率在７０－－９５％。
１９９８年东北大学研制了湿式振动化学纤维栅，其除尘效率高达９９．６２％，阻力仅为２０（）～５００Ｐａ［２。。“１，是一种高效、低阻的湿式振动化学纤维栅。设汁的湿式振动化学纤维栅除尘器在红透山铜矿溜井除尘净化系统中进行了现场测试，当风速为４ｍ／ｓ时，过滤阻力４５０Ｐａ，对于５ｕｍ以下的粉尘除尘分级效率达到９３～９９％，除尘器的净化全效率超过９９．９５％【２，】。它能很好解决溜井卸矿产生的粉尘，实现了循环通风，解决了深井风量不足的难题。
１．３喷雾除尘技术研究
喷嘴是湿式除尘器中的主要部件，它所喷出的雾滴大小、数量都将对除尘效率产生很大的影响。在上述１．２节中大部分湿式除尘装置中所采用的喷嘴均为一般发雾装簧，如湿式旋流除尘风机的发雾盘、湿式纤维过滤使用的涡流冲击式喷嘴、金属栅除尘器使用的实心喷嘴等。这些喷嘴所喷出液滴的质量中位径都火于６０ｕｍ田】。例如，实验测试表明，涡流冲击式喷嘴的质量中位径为１５０ｌｉｍｆ５７】。当液滴的平均直径为２５ｕｍ时，液滴的粒径范围为５到６５ｕｉｌｌ，当液滴的平均直径为５０到８０ｔＪｍ时，相应的液滴粒径范围为３０１１Ｉｌｌ到２００ｕｍ［２４】。按气动捕尘理论和实践，大水滴运动会形成能卷走尘粒的强气流，阻止尘粒与水滴撞击，不利于除尘。
１９７６年，美国Ｃｏｌｏｒａｄｏ矿业学校的Ｓｃｈｏｗｅｎｇｅｒｄｔ和Ｂｒｏｗｎ在一份研究报告中提出，采用微细的水雾捕尘能解决呼吸性煤尘的除尘问题。Ｓｃｏｗｅｎｇｅｒｄｔ认为，当水雾蒸发为蒸汽后就进入了云物理学范畴，此时，冷凝核化的机理将起着重要的作用Ⅲ】。即水雾大量蒸发，密闭空间中湿度迅速饱和，饱和后的水汽会直接在尘粒上凝聚，使得尘粒粒径不断增大。Ｍｏｒｒｉｓ和Ａｌｌｅｎ通过实验研究得出了相似的结论【，６】。虽然增大的速度与粉尘的亲水性、温度、电荷等因素有关，但只要达到１０一２０Ｈｍ就会落下或轻易地被一般水雾所捕集，可显现出对微细的呼吸性粉尘的良好效果。Ｓｃｈｒｏｄｅｒ对声波雾化雾流的特征研究后认为，在井下开采的金属矿中和较高的相对湿度情况下，若能有效地除去气流中的水滴及其与粉尘的凝结物，使用声波雾化喷嘴来降低呼Ｉ及性粉尘是十分有效的。
目柏能够产生小直径雾滴的喷嘴有：超声雾化喷嘴、声波喷雾喷嘴、气动雾化喷嘴和虹吸喷嘴。其中超声波雾化喷嘴是１９７７年美国新泽西声能发展公司率先丌发出来的。它由压缩空气驱动，当高速气流冲击共振腔时，在出口与腔之间由于聚能而产生超卢场，当水流入时迅速被雾化成浓密的微细水雾，水滴豇径通过调节压力司‘在ｌ一５０ｕｍ之问变化。与声波喷雾喷嘴相比，超声喷嘴喷出同级别粒径雾滴时所需的风压虽相差不大，但水压和耗水量要小得多㈤。气动（流）雾化喷嘴的喷雾浓度在亲流扩散作用Ｆ均匀分布””。气动（流）雾化喷嘴所需水压较高，对气／水比值也比较敏感。在低水压时，风压会把空气压入供水系统中，破坏水的调节机理，因而，使用它的同时，必须使用止回阀。虹吸喷嘴以虹吸原理工作，不需要压力水，然而它的喷水系统对风压极其敏感，风压高时，风流也会把水压回供水管路中。
在国外，超声雾化喷嘴多用于煤的破碎、筛分和皮带转运站等产尘点的除尘。其方法是在落料罩及受料皮带上喷细雾，将扬起的粉尘直接抑制在产尘点上，收到了很好的效果。此法曾在美国发电厂的除尘系统中全面推广使用［４８１。在我国．９０年代初，冶金部马鞍山矿山研究院利用自己开发出的ｃｗ型超声雾化器应用于工业除尘。其主要应用方式有两种：超声雾化抑尘和超声雾化旋风除尘器。在上钢五厂煤气分厂输煤系统中和选矿厂除尘中，超声雾化抑尘的应用取得成功：超声雾化旋风除尘器在桃冲铁矿８３水平掘进作业中使用后，工作面粉尘浓度小于２ｍｇ／ｍ３，达到工业卫生标准。１９９５年东北大学使用Ｃｗ型超声雾化器进行了活化超细雾流除尘技术研究，除尘效率可达对９３．５％，加活化剂后达到９５－－９７％，使喷雾除尘效率大幅度提高，在深凹露天钻井除尘中应用取得良好效果。
１．４湿润层除尘理论研究
在湿润层除尘器中，过滤层不仅捕集粉尘粒子同时也捕集了液滴。液滴在纤维层上的形态虽改变了过滤器的物理性质，但其机理仍属于过滤除尘的机理。液体和纤维的物理性质决定ｒ液滴在纤维上存在的形式。国外研究着重于研究化工过程中液体气溶胶在不同纤维的存在形式。
Ｆａｉｒｓ实验研究了硫酸酸雾在四种不同物性单纤维上的存在形式。实验采用的
一６一
四种不同物性的纤维。通过试验研究，最后Ｆａｉｒｓ选择第三种纤维（表面涂有硅树脂的玻璃纤维）作为纤维过滤器的过滤材料，并进行了实验研究，其获得的除雾效率是９９．６％，过滤器的有效工作时间５０００小时。Ｆａｊｒｓ认为效率增加的原因是球形液滴的形状增加了过滤面积。ＦａｉＦＳ没有进一步做出理论分析。
Ａｇｒａｎｏｖｓｋｉ在密闭的空洲，在１００％的相对湿度条件下，研究了水在单纤维Ｅ的存在形式。实验选用的纤维是玻璃纤维，当水雾不断地喷向纤维时，在几分钟之后水覆盖在纤维上形成水膜，随着时间的延长，过量的水在重力的作用下沿着纤维流下，这时的水膜厚度称为平衡状态下的水膜厚度。当停止喷水时，覆盖在纤维上的水膜称为残余水膜，残余水膜厚度小于平衡状态下水膜的厚度，平衡状态下的水膜厚度增加了纤维的直径，提高了过滤过程的捕集效率。同时Ａｇｒａｎｏｖｓｋｉ通过试验还研究了湿润性纤维和非湿润性纤维的纤维过滤器的过滤阻力。实验结果表明：相同过滤风速，相同气溶胶浓度条件下，非湿润性纤维过滤器的阻力随着时间的增加而升高。这是因为随着时间的增加液体气溶胶在纤维表面形成的液滴堵塞了纤维过滤器，引起过滤面积减小，阻力增加。而湿润性纤维过滤器的阻力，不随时间的增加而改变。
１．５湿式振动纤维栅除尘机理研究
湿式振动纤维栅（或湿式振弦栅）在我国实际应用的例子如前所述，在已有的外文文献中，还没有这方面的实验或实际应用的介绍。湿式振动纤维栅不同于普通的湿润层纤维过滤器，其过滤风速大于普通的湿润层过滤器，而阻力却小于普通的纤维过滤器。郭秀明、钟孝贤等仅仅提出对振弦栅除尘器中纤维振动的认识，即ＪｘＬ流的旋涡引起了纤维的振动，而没有进一步阐述引起振动的原因。张设计等提出的振弦栅除尘机理实质上仍然是喷雾除尘的惯性碰撞、截留和扩散以及振弦栅的截留作用等基本除尘原理。其新观点认为振弦栅的振动产生了声凝聚效应。在声波的作用下，处于声场中的粒子产生振动，小粒子振动速度大，大粒子振动速度小，结果促使大小不同的粒子进行大量的正向动力凝聚，使较大的粒子接近离它很远的小粒子，并相互碰撞，结合成大粒子，提高除尘效率。最佳声凝聚的振动频率为：
ｆ：呻、／一
“
／国ｄｔｐＵｐｄ
式中：＾，——直径为Ｄ和ｄ的粒子直径产生最强声凝聚时的声振动频率，Ｈｚ，ｌ。——气体的动力粘性系数，Ｐａ．Ｓ
Ｄ，ｄ——分别为大粒子直径和小粒子直径，ｍ
Ｐ。，Ｐ。——分别为大粒子密度和小粒子密度，Ｋｇ／ｍ３．
根据式（１．１）计算得出了对于呼吸性煤尘粒子，声振动频率应在６４１ｔｚ以上。通过实验研究得出的结沦是在频率为１５００ＨＺ，声压级为１５０ｄＢ，含尘浓度为
３，辐射时间为１０秒，在驻波场中煤飞灰粒子有很好的凝聚性。理论计算１．５９／ｍ
与实验结果比较发现，在常温下对于小于１０ｕｍ的粒子的煤飞灰凝聚最佳的声波操作参数为１５５ｄＢ，５００－－－６００Ｈｚ。
１．６本文研究的主要内容及方法
湿式振动纤维栅过滤除尘技术，以其高效低阻的优越性能，被认为是具有较大开发潜力的一项新技术。但是，已有的研究多偏重于实用技术和装置结构的研究，而对其除尘作用机制的理论探讨，主要集中在圆形纤维的理论研究，目前对矩形纤维的理论研究在国内外都比较薄弱。本论文的研究内容，则侧重于矩形纤维的除尘机理的研究，重点研究矩形金属纤维的最佳间距，速度流场的分布，最佳振动频率，并通过计算机软件对阻力和效率进行分析和仿真，找出简单易行的阻力和效率公式。
本论文所采用的研究方法，仍运用表面物理化学、流体力学、振动力学和气溶胶力学的基本理论，通过理沦分析，建立数学模型，运用数值计算方法和编制计算软件，在一定的边界条件下，进行数值解算，进行仿真和回归。
本论文的主要研究内容包括以下几方面：
（１）根据表面物理的知识，从有利于水在纤维上形成水膜的角度出发，研究矩形纤维栅的纤维问的最佳间距。
（２）通过分析矩形振动纤维栅的运动状态，找到矩形纤维振动的规律，并找
一Ｒ一
出矩形纤维的斯脱罗哈数与雷诺数的变化关系，并在此基础上求出矩形纤维发生共振的频率。
（３）根据流函数的特点，通过一系列的数学运算，求解出风流通过矩形纤维后速度方程表达式，运片！｜除尘效率公式，可以求得矩形纤维的除尘效率。
（４）湿式振动纤维栅具有高效、低阻的特性，本文运用所学的数学知识和数值分析方法，通过计算机软件的编制，对已有的试验数据进行分析，求得阻力和效率与风速和层数的相互关系，并进行了验证，最后证明其具有一定的推广价值。
１．７本章小结
本章主要介绍了湿式过滤除尘的发展及其研究现状，从中也能看出对湿式过滤除尘的研究还存在不够完善的地方，特别是人们对矩形纤维栅的研究还处于探索阶段，本文的目的就是在前人的基础上，通过理论分析和计算机仿真，研究湿
式振动矩形纤维栅的共振频率、最佳间距、速度分布、并根据试验数据求出除尘
、：＝二一
效率和阻力与除尘风速和层数的相互关系。…一一９■＿一
２矩形纤维间距研究
２．１水在纤维栅上湿润特性的分析
液体对固体的湿润作用的大小主要取决于液体——固体和液体——液体的分子吸引力的大小。当液体——固体之间分子ｌ吸引力大于液体本身分子之间吸引力便产生了湿润现象。液体对固体表面的湿润，除了接触与扩展湿润外，尚有侵入湿润，即将固体浸入液体，使原有的气——固界面由液——固界面所代替，甚至在某些多孔性物质的空隙中也进入大量的液体，这个过程称为浸润，如图２．１所示。
当一个轴对称的液滴位于某一固定表面上时，存在着三个界面：固（ｓ）一液（Ｌ）、液（Ｌ）一气（Ｖ）及固（ｓ）一气（Ｖ）界面；这三个界面的界面张力分别以ｙ。。、ｙ。及，。。来表示。图２．１中的角Ａ是固——液之间的接触角。
酋
图２．１固一液之间的接触角Ａ
Ｆｉｇ．２．２ＴａｎｇｅｎｔＡｎｇｌｅａｓＤｒｏｐＣｏｎｔａｃｔＳｏｌｉｄＳｕｒｆａｃｅ
设该系统保持恒温，且每相的体积不变，则该系统的Ｈｅｌｒｎｈｏｌｔｚ自出能的微小变化ｄＦ为（３９，６４】：
ｄＦ＝∑∥，（幽ｊ”＋如ｙ＋ａＣ）＋Ｚｚ，（幽？＋ｄｎ÷＋幽？）
ｉｆ
（２．１）＋ｙｓｙｄＡｓｖ＋ｙＬＰｄＡｗ＋ＹｓｔｄＡｓＬ
式中，“——摩尔自由能，Ｊ／ｍｏｌｅ
一１０一
Ⅳ．——摩尔数，ｍｏｌｅ
Ａ——界Ｉ酊面积，ｍ２。
因为系统的总摩尔数保持１ｉ变，所以在恒温时应该有
（砌∥＋砌？”＋ｄｎｓＬ）＋（幽？＋幽÷＋西，）＝幽ｆ＝０（２．２）
于是式（２．１）可以改写为：
ｄＦ＝ｙｓｒｄＡｓｙ＋ＹＬｖｄＡＬｒ＋ＹｓＬ以舡（２．３）
因为固一液界面面积的增长等于固一气界面面积的减少，所以应该有
ｄＡｎ＝一ｄＡｓｒ（２．４）
假定液体为球冠形，则可以从数学上证明
ｄＡ￡ｙ＝（ｄＡ＆）ｃｏｓ五（２．５）
把式（２．５）及式（２．４）代入到式（２．３）中，则可以得到
盟：ｙ。，－－Ｙｓｖ＋ｇＬｖｃｏｓＡ‘（２．６）
瓦２ｙｍ∞蚰…’因为系统处于平衡状态，所以（８Ｆ／ＯＡ。）等于零，
于是便可以得到：
Ｙｓｖ＝ｙｓＬ＋ｙＬｖＣＯＳＡ
或ｃｏｓＡ：鱼，二垫．（２．７）
ＹＬＶ
上式通常称为Ｙｏｕｎｇ方程㈣。
当接触角兄为０。即ＣＯＳ见＝ｌ时，液滴在固定表面接近于薄膜的形态，把这种情形称为完全湿润。当接触角五在０。与９０。之间即０＜ｃｏｓ２．＜ｌ时，液滴在固定表面上成为小于半球形的球冠，把这种情形成为湿润，并且兄越小，其浸润性能越好。当接触角＾在９０。与１８０。之间即一１＜ｃｏｓ２＜Ｏ时，液滴在固体表面上成为大于半球形的球冠，把这种情形称为不湿润。当接触角兄为１８０。即ｃｏｓ３．＝一ｌ时，液体在固体表面上成为球形，它与固体之间仅有一个接触点，把这种情形称为完全不湿
搁”…。
在固体表面巴湿涧性很好的液体可以在固体表面完全铺展，这一过程必定伴随系统自由能的下降。于足，在式（２．７）中的（ａ叫翩。）＜ｏ。为了袁征液体铺展的特点，定义了一个铺展系数Ｓ。㈣，其为
ＳＬ，ｓ＝ｙ５ｒ一（，ｎ＋厂￡Ｐ）（２．８）只有当ｙ。＞（ｙ。＋扎，）即Ｓ。≥０时，液体才能在固定表面上完全铺展。对于不能在固定表面一ｈ完全铺展的液体，可以把Ｙｏｎｇ方程代入到（２．８）中以得到Ｓ。，其为
ＳⅢ２ｙＬｖ（ｃｏｓ２，一１）（２．９）由上式可见，非完全铺展时，咒，。＜Ｏ。
如果纤维栅中采用纤维的结构是编织的纤维金属网，当水浸润网格栅时，水充满纤维孔隙。设水在网格栅中形成水膜厚度为纤维直径ｄ，，在网格橱中任取长为ａ、宽为ｂ网格，则在平衡状态下，网格的长宽满足式（２．１０）：
２０＋６）ｒ＋ｐ。ｇａｂｄ，≥ＰｔｇⅡｂｄ，
整理后得酬：
基≤—０＂，，ＶＣ—ＯＳＯ（２．１０）
２（ａ＋６）印ｇｄｒ
式中：ｐ。——气体的密度，ｋｇ／ｍ３；
Ｐ，——液体的密度，ｋｇ／ｍ３：
ｇ——是重力加速度，ｒｒｄｓ２；
ｒ——粘附张力，Ｎ／ｍ。
由于液体与本身蒸汽界面上的吸附不能改变液体的表面张力，所以式中盯。值等于仃，。
通常，液体ｆ１勺表面张力可以在（２～７）×１０。Ｎ／ｃｒａ之间；而国体的表面张
力可以分为商低两类，高者的表面张力可以达到５×１０。Ｎ／ｃｍ以上，例如某訾金属、玻璃、无机非金属；低者的表面张力在（２～４）×１０“Ｎ／ｃｍ之问，例如碳氢化合物、高分子材料等。一般地讲，具有高表面能的固体表面几乎总能被液体所湿润；反之，则干Ｈ反。
应当指出舯】，矩形纤维常常因各种原因，其表面被污染后，其湿润行为会发生显著的变化。研究表明，固体表面的非均匀性或粗糙性将固一液之问的接触角产生影响。如图２．２所示，液滴位于粗糙的固体表面，固一液相之间的实际接触角为（１８０。一０．）、表观的接触角（即液滴与水平方向间的夹角）为（１８０。一Ｏｒ），我们可以写出
ＣＯＳＯｒ＝ｒｃｏｓｏｔ（２．１１）式中，为一个与固体表面粗糙程度有关的系数。
图２．２在粗糙Ｉ崮体表面的液滴
Ｆｉｇ．２．２Ｄｒｏｐ０１１ｔｈｅＲｏｕｇｈＳｏｌｉｄＳｕｒｆａｃｅ
假定固体表面有两种状态（见图２．２），他们所占有的表面分数各为一和＾，则可以写出１６４１
ｎＰＣＯＳｏｒ２＿（～一ＹＳＩＬ）＋正（～一，岛￡）（２．１２）或ｃｏｓｏｒ＝／：ｃｏｓ０，＋厶ｃｏｓ０２（２．１３）
式中ＣＯＳｏｒ＝（ｈｒ—Ｙｓ，Ｉ．）／ｒ。。、ｃｏｓｏｒ＝（＾（ｙ掣一ｒｓ：ｚ）／Ｙ。。对于网状固体表面，例如金属丝网、纺织品等，可以把厂２视为开口部分所占的表面分数，ｙ。便为零