凝聚器中圓柱、半圓擾流流場及阻力計算

酈祝海，袁建國，劉含笑，酈建國(浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800)

0 引言

近年來，我國大中城市霧霾天氣越來越多，嚴(yán)重影響了城市居民的健康和生活，PM2.5含量過高是導(dǎo)致霧霾天氣的主要原因，而燃煤電廠又是PM2.5主要污染源之一。目前，火電廠除塵設(shè)備90%以上為電除塵器，其對PM2.5的去除率比較低，電除塵器出口PM2.5含量占煙塵總量排放的50%～90%[1-3]。國家對PM2.5的控制日益重視，相繼出臺了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)、《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)。因此開發(fā)一種燃煤電廠PM2.5捕集增效技術(shù)，對解決我國的PM2.5問題將起到重要作用。

在傳統(tǒng)電除塵器前增設(shè)預(yù)處理裝置，使超細(xì)顆粒物通過物化方法凝聚成較大顆粒，從而在電除塵器內(nèi)順利脫除是現(xiàn)在除塵技術(shù)發(fā)展的趨勢，因此，研究超細(xì)顆粒物凝聚技術(shù)具有重要的意義[4-8]。我們研發(fā)一套微細(xì)顆粒捕集增效裝置(后文簡稱凝聚器)，擾流柱是其核心部件之一[9]。本文通過數(shù)值方法計算凝聚器中圓柱、半圓擾流流場及阻力,旨在為凝聚器的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。

1 幾何模型

數(shù)值模擬中圓柱、180°半圓、225°半圓及270°半圓幾何模型見圖1。

(a)圓柱 (b)半圓

(c)225°半圓 (d)270°半圓

在unsteady條件下進(jìn)行模擬，入口條件均為速度入口，入口流速依次為12m/s，出口邊界：Outflow，氣體粘度2.54NS/m2，密度0.915kg/m3(考慮了溫度修正、沒有考慮壓力修正)。

2 數(shù)學(xué)模型

煙氣屬于流體，它的流動遵循一套守恒方程， 它們包括質(zhì)量守恒方程(常稱連續(xù)方程)、動量守恒方程和能量守恒方程。

由于目前我們關(guān)心的主要是速度分布特征，因此，可以僅考慮連續(xù)方程和動量守恒方程。寫成速度分量的形式，連續(xù)方程和動量守恒方程可以寫成如下形式：

(1)

(2)

3 計算結(jié)果及討論

3.1 湍流強(qiáng)度

圖2 測線位置

取4條測線，A為兩排擾流柱中間位置；B為第2排擾流柱后1倍直徑距離；C為第2排擾流柱后5倍直徑距離；D為第2排擾流柱后10倍直徑距離，如圖2所示。以入口流速10m/s為例，不同測線湍流強(qiáng)度值如圖3所示，半圓擾流效果優(yōu)于整圓，且半圓角度越小，湍流強(qiáng)度的峰值越大。

(a)圓柱

(b)180°半圓

(c)225°半圓

(d)270°半圓

圖4 湍流強(qiáng)度平均值比較

圖5 湍流強(qiáng)度曲線投影面積比較

3.2 阻力

圖6 阻力比較

當(dāng)流速大于8m/s時，半圓的角度越小，阻力越大，且隨著流速的增加，這種差距拉大，當(dāng)流速為20m/s時，270°半圓擾流跟圓柱擾流阻力相當(dāng)。

4 結(jié)語

研究表明，燃煤電廠排放的PM2.5雖占全國總排放量的10%～20%，但其排放總量數(shù)字龐大。目前，我國PM2.5污染十分嚴(yán)重，對于燃煤電廠建設(shè)較多的地區(qū)，其污染物對PM2.5的貢獻(xiàn)率甚至大于30%，且在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)，我國以煤為主的能源供應(yīng)格局不會發(fā)生根本性的改變。采用k-ε模型分別計算圓柱及不同角度半圓柱擾流工況，經(jīng)比較各流場參數(shù)的時均值，表明半圓角度越小，湍流效果越好，但阻力也越大。

[1]王 圣，朱法華，王慧敏，等.基于實測的燃煤電廠細(xì)顆粒物排放特性分析與研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011，31(3)：630-635.

[2]EhrlichC, NollG, KalkoffW-D, et al. PM10, PM2.5and PM1.0-Emissions from industrial plants-Results from measurement programmes in Germany[J].Atmospheric Environment，2007，(41)：6236-6254.

[3]趙 瑜.中國燃煤電廠大氣污染物排放及環(huán)境影響研究[D].北京：清華大學(xué)，2008.

[4]劉 忠，劉含笑，馮新新，等，湍流聚并器流場和顆粒運(yùn)動軌跡模擬[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2012,32(14)：71-75.

[5]劉 忠，劉含笑，馮新新，等.超細(xì)顆粒物湍流聚并理論與數(shù)值模擬[C].第14屆中國電除塵學(xué)術(shù)會議論文集，2011.

[6]Liu H X,Liu Z,Li H L,et al. Multiple vortex body vortex numerical simulation [J].Advanced Materials Research，2011,32(14)：1755-1758.

[7]劉 忠，劉含笑，馮新新，等.超細(xì)顆粒物聚并模型的比較研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2012,18(3)：212-216.

[8]酈建國，郭 峰，梁丁宏，等.雙極荷電流體混合凝聚技術(shù)的研究[C].全國燃煤電廠除塵技術(shù)論壇文集，2009.

[9]李 喆，張 霞.斜氣流技術(shù)的試驗研究與工程應(yīng)用[J].電力環(huán)境保護(hù)，2009，25(6)：46-49.

[10]酈建國，郭 峰.促進(jìn)顆粒物聚合的方法與裝置[P].中國 ，CN101780361A，2010-07-21.