隧道施工過程中不可避免會產(chǎn)生粉塵，高粉塵濃度一直是阻礙隧道高效運行的一個持續(xù)性問題[5,35,36]。地下空間中懸浮顆粒物濃度的升高對施工人員的健康和安全、施工機械的效率、機械的使用壽命以及大氣環(huán)境都構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。此外，長期暴露在高濃度顆粒物環(huán)境中會導(dǎo)致隧道工人出現(xiàn)嚴(yán)重的職業(yè)健康問題[5,13,39,44]。吸入粉塵可能引發(fā)過敏性鼻炎和咽炎等呼吸道感染，還可能導(dǎo)致不可逆的肺部損傷，如肺炎、肺氣腫和塵肺病。
施工活動和隧道挖掘過程中產(chǎn)生粉塵是不可避免的。隨著制造過程日益機械化和集約化，粉塵對現(xiàn)場人員和周圍環(huán)境的潛在風(fēng)險也在增加[15,22]。當(dāng)粉塵濃度過高時，可能發(fā)生粉塵爆炸，從而導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失[37]。在石油化工（揮發(fā)性氣體和有機聚合物）、涂料（溶劑和顏料）、采礦（甲烷和煤炭）、谷物儲存（發(fā)酵氣體和谷物）以及制藥（溶劑和輔料）等多個行業(yè)中，都可能產(chǎn)生易燃?xì)怏w和可燃粉塵。此外，這些物質(zhì)還涉及從粉末染料中提取易燃溶劑以及聚合物材料的制造和進一步加工等過程[10]。粉塵污染對人類健康、資產(chǎn)和環(huán)境有著嚴(yán)重影響[1]。城市地區(qū)的空氣污染，由于大氣中的特定氣體以及液體和固體顆粒的存在，對環(huán)境和公共健康造成了諸多負(fù)面影響。此外，這還帶來了巨大的經(jīng)濟成本[18]。
化石燃料滿足了世界各國不斷增長的能源需求[19,23]。在中國，煤炭通常采用路塹式或連續(xù)采煤機械進行開采[3]。然而，由煤炭粉塵引起的污染問題也顯著增加[7,47]。煤礦中高濃度的煤炭粉塵不僅對工作環(huán)境的質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，也對礦工的健康和福祉構(gòu)成威脅。這些高濃度的煤炭粉塵會導(dǎo)致一系列有害后果，包括嚴(yán)重的、往往是不可逆的生理損傷。長期暴露于煤炭粉塵中會使礦工面臨各種健康風(fēng)險，影響他們的身體狀況和生活質(zhì)量。解決這些問題對于確保煤礦行業(yè)從業(yè)者的工作安全性和更好的健康結(jié)果至關(guān)重要[4,21,33]。研究表明，煤礦行業(yè)中使用的機械是粉塵產(chǎn)生的主要來源。這些粉塵對現(xiàn)場工人的健康和福祉構(gòu)成了重大風(fēng)險。煤礦作業(yè)與粉塵產(chǎn)生之間的關(guān)系凸顯了采取有效措施減少暴露和提高職業(yè)安全性的必要性。鑒于潛在的健康影響，解決這一問題對于保護參與煤礦活動的工作人員至關(guān)重要[20]。在本研究中，我們探討了目前用于預(yù)防和控制粉塵污染的方法，包括但不限于使用噴霧除塵技術(shù)和氣液旋風(fēng)除塵器[29,31]。在粉塵控制領(lǐng)域，噴霧技術(shù)已被廣泛采用，因其成本低廉且安裝方便而具有優(yōu)勢[32,42,45]。
國內(nèi)外許多研究人員對內(nèi)部混合噴嘴進行了實驗研究。其中一些研究人員開發(fā)了具有兩種不同旋流角度（0°和90°）和三種孔徑尺寸（0.5毫米、1毫米和1.5毫米）的雙流體霧化噴嘴，并進行了實驗分析。他們測量了沿中心軸和徑向的液滴速度、湍流強度以及Sauter平均直徑（SMD）的分布。研究結(jié)果表明，隨著旋流角度的增加，SMD分布逐漸減小[38]。許多研究人員對空氣-水霧化噴嘴產(chǎn)生的兩相流進行了數(shù)值模擬。他們的模擬基于適用于可壓縮介質(zhì)的非穩(wěn)態(tài)流動微分方程，并結(jié)合了空氣向液滴的質(zhì)量傳遞方程。結(jié)果包括噴霧場內(nèi)液滴速度、空氣速度和空氣雜質(zhì)濃度的軸向和徑向分布[24]。一組研究人員在保持一致操作條件的情況下測試了四種不同的空氣-液兩相流噴嘴。他們的發(fā)現(xiàn)表明，在空氣-液體比例較低的情況下，噴霧形成過程主要受噴嘴內(nèi)部設(shè)計的影響[41]。一些研究人員研究了具有內(nèi)部混合功能的空氣霧化噴嘴的內(nèi)部流動特性，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部流動顯著影響外部霧化效果。此外，他們還確定噴嘴內(nèi)部混合室的設(shè)計對霧化效果有重要影響[17]。該研究考察了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下內(nèi)部混合空氣霧化噴嘴的霧化特性和降塵效果。結(jié)果表明，當(dāng)水注入孔徑設(shè)置為1.5毫米且噴嘴開口數(shù)量為四個時，噴嘴的降塵效率得到提高，同時保持了相對較低的水和空氣消耗量[29]。一些研究人員通過數(shù)值模擬共軸雙流體噴嘴，研究了中心液體注入口與環(huán)形氣流之間的角度對主要霧化過程的影響。他們的發(fā)現(xiàn)表明，當(dāng)角度為30°時，霧化效果有所改善[43]。一些研究人員利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測了影響噴嘴產(chǎn)生的液滴尺寸的因素，發(fā)現(xiàn)軸向距離是主要因素，其次是供水壓力[30]。研究人員根據(jù)粉塵顆粒的大小和密度確定了其沉積和逸出模式[40]。此外，研究人員在中高氣流條件下優(yōu)化了粉塵和氣體控制，提高了采礦安全性[9]。
文獻綜述表明，大多數(shù)關(guān)于粉塵去除技術(shù)的研究集中在單個因素或壓力條件對霧化噴嘴效果及其降塵效率的影響上。相比之下，對于內(nèi)部混合噴嘴的霧化性能受多種因素共同影響的研究較少。目前仍缺乏專注于開發(fā)創(chuàng)新內(nèi)部混合噴嘴并提高霧化性能和降塵效率的研究[11,48]。此外，傳統(tǒng)的內(nèi)部混合噴嘴無法生成足夠小的液滴或?qū)崿F(xiàn)較大的液滴的廣泛覆蓋范圍，這可能導(dǎo)致資源浪費。因此，在本研究中，我們自主研發(fā)了一種新型空氣-水霧化噴嘴用于煤炭粉塵的抑制。目前，關(guān)于液滴分布與除塵效率之間關(guān)聯(lián)的研究仍然有限。通過實驗研究液滴間的相互作用，我們可以探討液滴尺寸的變化如何影響除塵效率，從而指導(dǎo)噴嘴設(shè)計的優(yōu)化。
