技術(shù)的迅速發(fā)展推動了煤礦開采技術(shù)從機(jī)械化向智能化的轉(zhuǎn)變，顯著提高了生產(chǎn)效率。然而，這也加劇了粉塵污染問題。煤炭生產(chǎn)和運輸過程中產(chǎn)生的可吸入粉塵對工人健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，是塵肺病等職業(yè)病的主要原因[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。根據(jù)中華人民共和國國家衛(wèi)生健康委員會的數(shù)據(jù)（圖1），2023年報告了12,087例新發(fā)職業(yè)病病例，其中8,051例（66.61%）被診斷為職業(yè)性塵肺病。作為礦工健康的關(guān)鍵危害，可吸入粉塵的控制仍然是煤礦安全中的一個緊迫挑戰(zhàn)。因此，有效抑制可吸入粉塵對于保護(hù)礦工健康、確保作業(yè)安全和提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要。

噴霧技術(shù)作為一種廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的手段，因其安裝方便、操作簡單而具有獨特優(yōu)勢。在其組成部分中，噴嘴起著關(guān)鍵作用[6]、[7]、[8]、[9]。然而，由于煤礦環(huán)境中的壓力供應(yīng)限制，許多噴嘴仍無法實現(xiàn)最佳霧化性能，尤其是在捕捉小于7 μm的可吸入粉塵顆粒時，其降塵效率仍然不足[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。相比之下，空氣霧化噴嘴所需的操作壓力較低，耗水量少，并且在捕獲可吸入粉塵方面表現(xiàn)出更優(yōu)的性能[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。鑒于這些優(yōu)勢，眾多國內(nèi)外研究人員使用數(shù)值模擬和實驗方法對空氣霧化噴嘴進(jìn)行了廣泛研究。

Maziar Shafaee使用Open FOAM軟件對空氣噴射噴嘴進(jìn)行了數(shù)值模擬，以評估幾何參數(shù)和流動條件對噴霧特性的影響。研究得出結(jié)論，在特定韋伯?dāng)?shù)下，液滴的Sauter平均直徑（SMD）隨著水孔直徑的增大而增大[20]。Lam Vu等人使用體積流體（VOF）方法對雙流體同軸幾何結(jié)構(gòu)中的水霧化進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過可見光背光成像和X射線攝影獲得了實驗測量數(shù)據(jù)。他們的工作在量化噴霧形成區(qū)的水質(zhì)量分布、水射流長度統(tǒng)計和時間動態(tài)等方面表現(xiàn)出極好的一致性，同時引入了基于靜態(tài)接觸角的亞格子尺度接觸線模型[21]。Santiago Cardona和Thibault F. Guiberti分析了導(dǎo)致射流不穩(wěn)定的特定條件，特別是在低注入壓力和高環(huán)境溫度下，將這種現(xiàn)象歸因于噴嘴內(nèi)部的氣泡形成和隨后的破裂。這種不受控制的噴嘴尖端上游的氣泡動態(tài)會干擾噴霧生成，導(dǎo)致水和蒸汽的交替排放以及不規(guī)則的霧化過程[22]。Bihe Hu等人使用耦合的大渦模擬（LES）和VOF方法研究了四種典型噴嘴內(nèi)部流動模式對噴嘴附近區(qū)域初級噴霧破碎的影響。他們的研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)臏u流誘導(dǎo)空化與較高的流速相關(guān)，并通過強(qiáng)渦流實現(xiàn)了更好的噴霧霧化質(zhì)量[23]。Wentao Liu等人研究了同軸四通道空氣-水噴嘴的霧化特性，利用高速可視化技術(shù)評估了每個通道對噴嘴出口處流動模式的影響。對實驗數(shù)據(jù)的數(shù)值分析得出了描述同軸四通道噴嘴配置參數(shù)與液滴大小之間關(guān)系的方程[24]。Zuliang Xu等人基于級聯(lián)破碎和韌帶介導(dǎo)的噴霧機(jī)制，開發(fā)了一種用于同軸雙流體空氣噴射霧化的Ligament-Mediated Gamma Distribution（LMGD）模型。該模型預(yù)測了在不同速度下液滴直徑和尺寸分布之間的非線性關(guān)系[25]。Yufan Wang等人探討了表面活性劑濃度和螺紋誘導(dǎo)湍流調(diào)制對同軸射流霧化特性的影響。他們的結(jié)果顯示，破碎長度通常隨表面活性劑濃度的增加而增加，但在臨界膠束濃度處出現(xiàn)急劇下降[26]。Zixi Tian等人使用VOF方法對三種不同結(jié)構(gòu)和直徑比的雙流體噴嘴進(jìn)行了數(shù)值研究。分析重點關(guān)注噴嘴直徑對噴霧形態(tài)、速度、質(zhì)量流量和角度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在噴嘴直徑為12 mm、壓力為1.6 MPa時，霧化性能最佳，其中68.83%的顆粒達(dá)到了理想直徑，顯著提高了尺寸均勻性和效率[27]。Zhang等人模擬了同軸雙流體噴嘴，研究了中心水注入與環(huán)形氣流之間的角度對初級霧化的影響。結(jié)果表明，在30°傾斜角度下霧化性能更優(yōu)[28]。

上述研究在空氣霧化噴嘴領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足。主要問題如下：目前的研究主要集中在單獨模擬空氣霧化噴嘴的內(nèi)部或外部流場，很少有學(xué)者研究噴嘴內(nèi)部和外部連續(xù)流場中的霧化機(jī)制。P_a（空氣供應(yīng)壓力）和P_w（水供應(yīng)壓力）的變化對水流模式和霧化過程的影響尚未完全理解，這使得難以推導(dǎo)出噴嘴的精確霧化原理。基于噴霧降塵的實際需求，本研究旨在更好地理解空氣霧化噴嘴對可吸入粉塵的影響。通過使用構(gòu)建的VOF至DPM（體積流體到離散相模型），我們分析了噴嘴內(nèi)部和外部流場中的霧化機(jī)制。此外，還進(jìn)行了關(guān)于噴嘴霧化特性的實驗研究，以檢查相關(guān)參數(shù)。利用定制的降塵平臺測量了可吸入粉塵的去除效率，從而確定了最佳的空氣和水供應(yīng)壓力。