微顆粒捕集增效裝置中圓柱擾流流場(chǎng)特性研究

許銓安, 吳 金，劉含笑, 何德源，郭 瀅

(浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆憬?諸暨 311800)

資源與環(huán)境

微顆粒捕集增效裝置中圓柱擾流流場(chǎng)特性研究

許銓安, 吳 金，劉含笑, 何德源，郭 瀅

(浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆憬?諸暨 311800)

圓柱擾流是微顆粒捕集增效裝置擾流區(qū)的主要?jiǎng)恿υ?，探討單圓柱擾流、雙圓柱擾流及多圓柱擾流的流場(chǎng)特性，為正確認(rèn)識(shí)圓柱擾流的流場(chǎng)特性及規(guī)律，對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能提升均具有重要意義。

PM2.5；燃煤電廠；數(shù)值模擬；Strouhal數(shù)

近年來(lái)，我國(guó)霧霾天氣頻發(fā)，PM2.5是致霾的主因之一，而燃煤又是PM2.5主要污染源之一。微顆粒捕集增效技術(shù)采用雙極荷電和湍流凝并的原理，將細(xì)顆粒凝并為大顆粒后高效脫除，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)技術(shù)，該裝置安裝于電除塵器之前，其擾流區(qū)通過(guò)擾流裝置的擾流作用，產(chǎn)生不均勻的湍流流場(chǎng)，因此，正確認(rèn)識(shí)圓柱擾流的流場(chǎng)特性及規(guī)律，對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能提升均具有重要意義。

1 圓柱擾流涉及的重要參數(shù)

對(duì)于圓柱擾流來(lái)說(shuō)，涉及的重要參數(shù)主要有曳力系數(shù)、升力系數(shù)和Strouhal數(shù)等，計(jì)算公式如(1)～(2)。

曳力系數(shù)：

(1)

升力系數(shù)：

(2)

Strouhal數(shù)：

(3)

上式中：Fd為圓柱受到x方向的拖曳力；ρ為流體密度；u為來(lái)流速度；D為圓柱直徑；Fl為圓柱受到z方向的橫向力；f為一對(duì)渦的瀉渦頻率。

另外一個(gè)重要參數(shù)是Re，對(duì)于單個(gè)擾流柱來(lái)說(shuō)，隨著Re變化，流場(chǎng)有明顯的變化規(guī)律，如圖1所示。如當(dāng)Re<5時(shí)，無(wú)旋渦產(chǎn)生，與理想流體的繞流對(duì)稱性相似；53.5×106時(shí)，湍流渦街再次出現(xiàn)，此時(shí)為超臨界Re數(shù)范圍。

圖1 單圓柱擾流隨著Re變化規(guī)律

2 單擾流柱流場(chǎng)特性

計(jì)算單擾流柱的升力、阻力系數(shù)的時(shí)程曲線如圖2所示，隨雷諾數(shù)Re增大，阻力、升力系數(shù)的振幅相應(yīng)增大，振動(dòng)次數(shù)增多。

圖2 阻力、升力系數(shù)的時(shí)程曲線

以Re=1.54×104為例，不同時(shí)刻的渦量等值線如圖3所示。渦街程對(duì)稱分布，且隨渦街脫落，圓柱兩側(cè)不對(duì)稱分布，且渦碰壁面后碎成多個(gè)小渦。

圖3 渦量等值線圖

3 雙擾流柱流場(chǎng)特性

鑒于微顆粒捕集增效裝置內(nèi)圓柱擾流不同的排列方式，可分為串聯(lián)(工況A)、并聯(lián)(工況B)、傾斜布置(工況C)三種，如圖4所示。

圖4 雙圓柱不同排列方式

基于LES湍流模型，計(jì)算雙擾流柱湍流流場(chǎng)瞬參數(shù)云圖如圖5所示，就湍流粘度的量值及分布區(qū)域綜合考慮，直接串聯(lián)布置(工況A)的方式湍流效果較差，并聯(lián)布置(工況B)時(shí)渦街呈對(duì)稱分布，擾流效果較好，當(dāng)圓柱錯(cuò)列布置(工況C)時(shí)，湍流效果次之。

圖5 各工況湍流粘度云圖

4 多擾流柱流場(chǎng)特性

圖6 多擾流柱流場(chǎng)渦量

基于LES湍流模型，模擬流場(chǎng)的瞬時(shí)參數(shù)，多圓柱擾流區(qū)流場(chǎng)渦量如圖6所示。擾流效果佳，且存在明顯渦街脫落。圖7為各個(gè)圓柱在流場(chǎng)中所受曳力、升力時(shí)程曲線，兩個(gè)作用力系數(shù)均程規(guī)律性周期變化，且前排圓柱擾流柱的曳力、升力系數(shù)波動(dòng)幅度明顯小于后排，這主要是因?yàn)榍芭艌A柱的來(lái)流速度及方向相對(duì)均勻，經(jīng)圓柱擾流后流場(chǎng)中有周期性的渦街脫落，再經(jīng)后排圓柱擾流后，進(jìn)一步提高了渦街能量。

圖7 阻力、升力系數(shù)的時(shí)程曲線

5 結(jié)語(yǔ)

圓柱擾流是微顆粒捕集增效裝置擾流區(qū)的主要?jiǎng)恿υ?，探討單圓柱擾流、雙圓柱擾流及多圓柱擾流的流場(chǎng)特性，為正確認(rèn)識(shí)圓柱擾流的流場(chǎng)特性及規(guī)律，對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能提升均具有重要意義。但應(yīng)重新討論特殊條件下，如狹長(zhǎng)區(qū)間或固定界面條件下，圓柱擾流的流場(chǎng)特性，及各流場(chǎng)參數(shù)，尤其是strouhal數(shù)等參數(shù)的關(guān)系及規(guī)律。

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(本文文獻(xiàn)格式：許銓安,吳 金，劉含笑，等.微顆粒捕集增效裝置中圓柱擾流流場(chǎng)特性研究[J].山東化工,2017,46(15):166-168.)

The Flow Field Characteristics Study of Cylindrical Vortex in Micro Particle Capture Device

XuQuan'an，WuJin，LiuHanxiao,HeDeyuan,GuoYing

(Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co.,Ltd,Zhuji 311800,China)

Cylindrical turbulence wass the main source of power of disturbed flow area in micro particle capture efficiency device ,single cylinder disturbed flow,double cylinder disturbed flow and more cylindrical vortex flow field characteristics was done,which shows great significancefor for the correct understanding of cylindrical flow field characteristics and regularity of turbulence,structure optimization and performance improvement of the device.

PM2.5; coal-fired power plant; numerical modeling; Strouhal number

2017-05-21

許銓安(1964—)，男，浙江諸暨人，高級(jí)工程師，浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰靖笨偨?jīng)理；通訊作者：劉含笑(1987—)，山東濰坊人，碩士，主要從事燃煤電站PM2.5捕集增效與優(yōu)化技術(shù)研發(fā)工作。

X513

A

1008-021X(2017)15-0166-03