雨滴表面惯性粒子捕集的湍流效应数值分析

雨滴对气溶胶粒子的清除系数与捕集效率密切相关,并依赖于雨滴附近的气流型式.考虑到实际大气背景均为湍流状态,分别对层流和湍流状态下大尺寸雨滴表面上惯性粒子的捕集过程进行了数值模拟,讨论了湍流脉动对不同粒子轨迹的畸变和扰动.结果表明,层流条件下的模拟结果与已有的实验结果具有很好的一致性.若对雨滴的绕流附加一个湍流强度,则雨滴附近流动速度的随机变化将对粒子的运动轨迹产生明显的影响,导致惯性粒子在湍流状态下被雨滴捕获的效率大于层流捕集效率,湍流脉动效应对粒子捕集效率的提高幅度随粒子尺度的增大而减弱.     

单纤维过滤阻力与惯性捕集效率数值分析

采用数值方法求解了描述交错排列纤维模型过滤器绕流特征的Navier-Stokes方程,并计算分析了纤维表面粒子的惯性捕集效率和单纤维过滤阻力.结果指出,在填充率C0.045时,Happel过滤阻力模型与数值结果十分吻合,优于Kuwabara模型给出的估计;当纤维填充率00.08时,Kuwabam模型的预测结果与数值结果更接近.通过追踪粒子的运动轨迹计算了单纤维的惯性捕集效率,讨论了过滤风速、粒子密度和填充率对粒子惯性捕集效率的影响.结果表明,粒子的惯性捕集作用存在某一临界粒子直径,小于临界直径的粒子将不被捕集;根据数值分析结果,分别给出了一个可适用于单纤维阻力估计的关系式和惯性捕集效率的计算公式,其适用参数范围为St≤10(StokeS数)和0.01C0.1.     

荷电雾滴表面带电尘粒捕集的数值分析

通过数值计算分析了带电粉尘粒子在荷电雾滴上的捕集特性,主要考虑尘粒惯性和静电效应对于提高粒子捕集效率的相对强弱.结果表明,在不同粒径区间内,粒子的惯性效应和雾滴与粒子间的库仑力对强化粒子靶效率的作用需要仔细加以辨认,同时证明了当雾滴弱荷电时,对亚微米带电粒子捕集依然是有效的.     

湍流效应对雨滴表面粒子捕集过程的影响

为考察湍流运动对捕集效率的影响,本文在不同湍流强度下分别模拟了4种直径雨滴对不同粒径粒子的捕集过程,根据湍流场中粒子捕集过程的特征,通过引入碰撞概率的概念,重新定义了适用于湍流状态下捕集效率的计算公式,并在此基础上分析研究了湍流捕集效应对捕集效率的影响.结果表明,所有粒径粒子的碰撞概率分布特征都会受到背景湍流强度的影响,尤其对5μm及以下粒子影响明显.湍流捕集效应对捕集效率的影响与粒子密度和粒径直接相关与雨滴尺寸无关.     

椭圆纤维过滤压降与惯性捕集效率数值分析

采用数值方法求解了描述椭圆截面纤维绕流特征的Navier-Stokes方程,并计算了椭圆纤维对粒子惯性捕集效率及纤维过滤压降.分析讨论了椭圆纤维迎风角度θ、长短轴比ε和填充率C等参数对惯性粒子过滤性能的影响.结果表明,在大迎风角度时,过滤压降随长短轴比增大而增大,而在小迎风角度下,过滤压降则随长短轴比增大而减小;在相同纤维长短轴比条件下,过滤压降均随迎风角增大而增加.粒子惯性捕集效率计算结果则表明,对于中高惯性粒子捕集,大迎风角度和高长短轴比的椭圆纤维的捕集效率高于圆截面纤维,而对弱惯性粒子,小迎风角度和高长短轴比的椭圆纤维则表现出较高的捕集效率.在椭圆纤维过滤压降和捕集效率计算基础上,采用纤维过滤质量因子（定义为捕集效率比过滤阻力）评价综合过滤性能.结果表明,对于中高惯性粒子过滤,扁长型椭圆纤维（即为高长短轴比ε）在迎风角约为θ=45°时质量因子总体较高,即具有较优的综合过滤性能;而对弱惯性粒子,则扁长型椭圆纤维长轴平行来流方向（θ=0°）时,总体过滤性能较优.     

静电作用下的气溶胶粒子在液滴表面沉降效应的研究

介绍了气溶胶粒子在液滴表面沉降效率的计算方法、分析了气溶胶粒子、液滴均荷电或其中之一荷电时，在粘性流场和势流场中液滴表面捕集效率，并与他人的研究成果（近似理论解和数值解）进行了对比。     

星形线电除尘器内EHD流动与粒子行为数值模拟

为了研究星形线电除尘器内电流体动力学（EHD）流动与荷电粒子运动行为及两者间相互作用,构建了线板式电除尘器（ESP）内关于EHD和带电粒子运动学的耦合数值模型.该模型采用有限体积法离散求解电场方程和空间电荷方程,在拉格朗日法下建立带电粒子运动方程,并与FLUENT湍流模型进行耦合.利用这一模型,对3种电场风速下星形线电除尘器内流动形态与粒子运动行为进行了细致模拟,并分析了二次流动对气流、粒子浓度分布的影响.结果表明,星形线电除尘通道内二次流动对流动形态和粒子浓度分布存在显著作用.随电场风速的降低,这一作用将越明显.EHD流动对细小荷电粒子运动的影响更为显著.二次流动产生涡旋并作用于主流来影响粒子运动行为.收尘板面的涡旋挤压粒子流远离壁面向流动中心运动,放电极下游的涡旋则促进粒子流向收尘板壁面靠近.此外,由于捕集通道中强二次流的存在,Deutsch计算式对除尘效率、特别是对于亚微米粒子捕集效率的计算并不准确.     

离子风和磁场作用下分布指数对线板式ESP中PM_(2.5)捕集效率的影响

为了分析分布指数对线板式静电除尘器(ESP)中PM2.5捕集性能的影响,给出了基于电磁场、流场和颗粒动力场的数学模型,数值模拟了PM2.5分级效率、综合效率分别与分布指数的变化关系,比较了有无离子风和磁场作用时PM2.5的捕集性能。结果表明:数值模型与D-A公式相比具有较高的计算精度;离子风和外加磁场均能提升PM2.5的捕集性能,且捕集效率均随着分布指数的增大而逐步降低,为进一步提升ESP捕集性能提供技术参考。     

过滤除尘器收集效率的研究

过滤除尘器理论主要包括过滤器阻力理论和效率理论。前者可以通过流体力学的方法来求得。后者包括三个方面的内容:(1)单个捕集物的捕集效率;(2)单个捕集物三种机理(惯性碰撞、拦截和布朗扩散)的总捕集效率;(3)复合捕集物的捕集效率,即过滤的总收集效率。 捕集物的复合方式可能有两种,其一是所有捕集物的大小都相同且又彼此单独起作用,这种情况比较简单;其二是捕集物之间彼此交互影响,这种情况十分复杂,而且实际的过滤器几乎都属于这一种。本文就致力于这一问题的研究。     

极化处理对滤料过滤性能的强化

为强化滤料对微细颗粒物的捕集效率,采用一种具有吸附作用的天然矿物驻极体电气石,通过溶液沉淀及热压工艺将电气石颗粒附着于过滤材料表面,形成一种新型改性驻极滤料,实验结果表明：驻极处理后的滤料压差与未处理滤料基本一致,对微细粒子的捕集效率提升显著,捕集效率的提升幅度随着颗粒物粒径减小而增大.与传统驻极体滤料不同,新型驻极滤料经200℃高温处理后对微细颗粒物捕集效率没有变化.电气石纯度越高吸附作用越明显,纯度为87.52%电气石对0.3,0.5,0.7,0.9,1,2.5μm颗粒的捕集效率分别提升了18.52%,18.01%,16.84%,15.76%,13.35%,11.49%;纯度为80.61%电气石对各粒径颗粒捕集效率分别提升了11.57%,11.20%,9.94%,9.75%,8.47%,9.76%;纯度为78.87%电气石对各粒径颗粒捕集效率分别提升了9.24%,9.26%,7.75%,7.77%,6.06%,5.90%;平均粒径为25μm的电气石颗粒对3μm颗粒物捕集效率的提升<2%.     

高梯度磁场提升单纤维捕集PM2.5性能的机理

以钢铁厂和有色金属行业排放的PM_2.5为研究对象,基于离散相模型DPM（Discrete Phase Model）,并加入UDF自定义编程,研究高梯度磁场下不同入口风速、颗粒粒径、外磁场强度、磁性纤维磁感应强度以及磁化率对捕集效率的影响,并结合颗粒运动轨迹和受力情况对其进行分析.结果表明：当0.5μm≤d_p≤2.5μm,v=0.1m/s时,利用高梯度磁场（H=0.1T,B=0.06T）可以使单纤维捕集PM_2.5的效率提高为原来的4.23倍,得出磁性纤维周围存在2个引力区和2个斥力区.同时,在高梯度磁场中磁性纤维对PM_2.5的捕集效率随入口风速呈先减小后趋于平稳的规律;而捕集效率随粉尘粒径呈先增大后减小的规律.当d_p=1.0μm时的捕集效率提升最大,无论是外磁场强度还是磁性纤维磁感应强度,磁性纤维对颗粒的捕集效率与场强都呈一次函数关系,效率增长率K_B>K_H;随着颗粒磁化率的增加,磁性纤维对颗粒的捕集呈现两段线性增长规律,前后两段效率增长率K₁>K₂.当颗粒经过高梯度磁场区域时,入口风速、粉尘粒径、场强对运动轨迹影响较大,而磁化率对运动轨迹影响较小.     

Agglomeration and removal characteristics of fine particles from coal combustion under different turbulent flow fields

Turbulent agglomeration is a promising pretreatment technology for improving the removal of fine particles in industrial flue gas, which can improve the particle removal effect of dust removal equipment safely and economically. However, due to the complexity of turbulence mechanisms, the relationship between turbulent flow fields and the agglomeration of fine particles is not known with precision, resulting a weak promotion effect for particle removal with this pretreatment technology. In this work, three kinds of turbulent agglomerators were constructed to investigate the agglomeration and removal characteristics of fine particles under different turbulent flow fields. The results demonstrated that the turbulent agglomerator with small-scale and three-dimensional vortexes in the flow field had the best effect in improving the agglomeration and removal of fine particles. Two kinds of agglomeration modes in turbulent agglomeration were proposed, one being agglomeration between fine particles in the vortex area, and the other the capture of fine particles by coarse particles. Furthermore, the motion trajectory, relative velocity and residence time of fine particles of different sizes in different flow fields were calculated by numerical simulation to investigate the interaction mechanism of particle agglomeration and turbulent flow fields. The results showed that a flow field with small-scale and three-dimensional vortexes can reduce the Stokes number (St_K) and the relative velocity of particles of different sizes, and extend their residence time in a turbulent flow field, so as to obtain a better agglomeration effect for fine particles.     

高温烟气中颗粒静电脱除特性的实验研究

研究温度90~450℃条件下静电除尘器的放电特性及除尘特性,分析温度、工作电压、烟气流速及颗粒浓度等关键参数对于颗粒静电脱除效率的影响.结果表明,当温度从90℃上升至450℃,在比收尘面积为46.5m²/(m³·s^-1),粉尘初始浓度约为750mg/Nm³的工况下,颗粒脱除效率均可达到98%以上.随着电压升高,除尘效率不断提高,但其升高趋势逐渐变缓.在相同电压下,随着温度的上升,电晕电流显著增大,强化颗粒荷电,颗粒的脱除效率提高;而在相同电流下,高温下较低的空间场强使得颗粒的驱进速度减小,导致颗粒脱除效率下降.烟气流速提高降低了颗粒的脱除效率,PM_1.0受烟气流速的影响较PM₁₀更为明显.颗粒初始浓度的上升增强了颗粒的碰撞及团聚作用,在一定程度上有利于增强颗粒的脱除效果.     

条形磁铁几何构形对层流中磁性颗粒分离行为影响的数值研究

增强磁场对流体中磁性颗粒或团聚物的分离回收作用是开梯度磁分离技术中的关键问题。通过建立数值模型,研究条形磁体4种排列方式（轴向交替、轴向并发、横向交替和横向并发）及不同磁端间距对颗粒捕获率的影响,并结合颗粒运动轨迹和磁场力分布情况对颗粒捕获结果进行分析,同时研究了磁体长宽比、颗粒磁化率、流体流速、磁体磁化强度对颗粒捕获率的影响。结果表明:对于条形磁体,当磁端间距足够远时,轴向布置优于横向布置;在小磁端间距下,轴向交替排列方式最优;对于横向交替排列,在同等磁通量和截面面积的矩形磁体下,长宽比为1:1的方形磁体对颗粒的捕获作用最优。该成果可为多磁体组合的磁分离器设计提供理论参考。     

偏转角影响磁纤维捕集Fe基细颗粒的数值模拟

为了研究磁性纤维对钢铁行业细颗粒物的控制效果,基于计算流体力学-离散相模型（CFD-DPM）对高梯度磁场中含尘气流方向与背景磁场方向夹角（偏转角）分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°时磁性单纤维捕集Fe基细颗粒进行数值模拟.分别研究高梯度磁场作用下颗粒粒径、入口风速、磁场强度对颗粒运动轨迹和捕集效率的影响.结果表明：高梯度磁场中偏转角影响磁性纤维捕集区域的位置,当角度为0°时,在纤维正对含尘气流方向区域形成颗粒捕集区,背风侧形成较大空腔;当角度为90°时,在沿气流方向纤维两侧形成面积相等的捕集区域.偏转角对小颗粒捕集效率的影响较小,当角度为0°时,对于0.5μm的颗粒捕集效率为4.1%,当角度为90°时捕集效率为3.9%.随着粒径的增大,捕集效率的增长速率先减小后增大,对于不同粒径的颗粒,当角度为0°时捕集效率最高.当风速在0.02~0.04m/s范围时,随着角度从0°增加到90°,捕集效率先降低,在45°附近达到最小值,然后升高.磁场强度的增加有利于提高捕集效率,但不同角度时的增长速率有所不同.当偏转角为0°和60°时,背景磁场强度为0.1~0.3T范围时增长速率明显大于0.3~0.9T范围内,而当偏转角为30°和90°时,背景磁场强度为0.1~0.5T范围时增长速率高于0.5~0.9T时的增长速率.     

基于积分响应模型的气溶胶静电分级器设计与粒径分布测量

为改善气溶胶静电分级器分级测量性能,建立了其传递函数和积分响应理论模型.通过对关键参数理论模拟,设置了静电分级器样气流速、鞘气和样气流速比例等关键参数,并且通过试验对理论模型进行了验证,评价了该静电分级器分级测量性能.模拟结果表明,提高气流流速可以改善静电分级器的分级性能,而鞘气和样气流速比例过大会降低其传输效率,过小则会影响分辨率,流速比例可以设定为5~25.试验结果表明,积分响应理论计算的粒子数浓度与该静电分级器试验测量结果呈线性相关（R2=0.98）.研究显示,该静电分级器测量粒径与预测粒径的误差在5.0%以内,线性相关（R2=0.99）,且测量多个单分散和多分散粒径浓度谱型与商业化SMPS（scanning mobility particle sizer,扫描电迁移颗粒物粒径谱仪）基本一致,该传递函数和积分响应模型显著提高了静电分级器分级测量性能.      

烟道荷电凝并电场对电捕集微细粉尘效率的影响

针对目前电除尘技术存在亚微米(0.01~1μm)粉尘捕集难的问题,进行了微细粉尘的交变电场荷电凝并及对电除尘效率影响实验研究.结果表明,随着气体粒子动量、电场强度的增加,离子浓度也在增加,最大离子浓度为1.97×109/cm3;在电离电场强度峰峰值为1.75 kV/cm,频率为100Hz的交变电场里,中位径为0.2μm硅粉中的粒径<2μm的质量为71%,凝并后降至53%,粒径为5~10μm的硅粉质量增加了162%;中位径为0.2μm硅粉质量除尘效率提高了27.6%,除尘效率提高了近1倍;粉尘浓度对电凝并后的除尘效率影响有限.高流场中微细粉尘的交变电场荷电凝并技术为电捕集亚微米粉尘的有效途径.     

活性炭颗粒对超细颗粒物的过滤性能

UFPs(超细颗粒物)对人体危害较大且难以脱除,但活性炭颗粒床利用多孔结构可以提高其过滤效率. 为探究试验条件对UFPs过滤效率的影响以及活性炭孔隙结构和UFPs过滤效率之间的关系,以实验室发生UFPs为研究对象,活性炭为过滤介质,对活性炭颗粒粒径、滤层厚度以及表观风速等条件对过滤UFPs的影响进行了研究,并通过对比过滤前后活性炭的孔径分布,分析活性炭多孔性与UFPs的关系. 结果表明:当活性炭颗粒平均粒径由2.50 mm减至0.45 mm、滤层厚度由20 mm增至100 mm、表观过滤风速由4.25 cm/s降至0.84 cm/s时,总过滤效率分别由41.87%、49.39%、68.24%升至86.27%、89.29%、83.04%;但从活性炭的单颗粒过滤效率和过滤质量角度来看,在活性炭颗粒粒径大、滤层厚度小、表观过滤风速低的条件下,更有利于单个活性炭颗粒的过滤作用的发挥;当UFPs粒径小于14.3 nm时,UFPs发生“热反弹”效应,并且主要过滤机理是扩散效应,但随着UFPs粒径增大,拦截和惯性碰撞对过滤效率的作用增强;活性炭500 nm以下的孔隙结构对脱除UFPs起着重要作用. 研究显示,选择含有更多500 nm以下孔隙的多孔材料更有利于过滤UFPs.      

Settling basin design in a constructed wetland using TSS removal efficiency and hydraulic retention time

Using total suspended solid （TSS） removal efficiency and hydraulic retention time （HRT） as design parameters a design guideline of a settling basin in a constructed wetland （CW） was suggested; as well as management of sediment and particle in the settling basin. The CW was desiEned to treat the piggery wastewater effluent from a wastewater treatment plant during dry days and stonnwater runoff from the surrounding paved area during wet days. The first settling basin （FSB） in the CVV was theoretically designed with a total storage volume （TSV） of 453 ms and HRT of 5.5 hr. The amount of sediment and particles settled at the FSB was high due to the sedimentation and interception of plants in the CVV. Dredging of sediments was performed when the retention rate at the FSB decreased to approximately 80%. Findings showed that the mean flow rate was 21.8 m3/hr less than the designed flow rate of 82.8 m3/hr indicating that the FSB was oversize and operated with longer HRT （20.7 hr） compared to the design HRT. An empirical model to estimate the length of the settling basin in the CW was developed as a function of HRT and desired TSS removal efficiency. Using the minimum tolerable TSS removal efficiency of 30%, the length of the FSB was estimated to be 31.2 m with 11.8 hr HRT.