測(cè)量口壁面粗糙度對(duì)PM2.5流動(dòng)特性的影響

劉丹丹， 郝文亮， 湯春瑞， 景 然

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

測(cè)量口壁面粗糙度對(duì)PM2.5流動(dòng)特性的影響

劉丹丹， 郝文亮， 湯春瑞， 景 然

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

針對(duì)光學(xué)粉塵測(cè)量?jī)x長(zhǎng)期使用時(shí)測(cè)量口粗糙度改變影響測(cè)量精度的問(wèn)題，以流體力學(xué)的氣固兩相流理論為基礎(chǔ)，采用湍流模型和拉格朗日離散相模型分析不同粗糙度下測(cè)量口PM2.5的流動(dòng)特性。結(jié)果表明：與光滑壁面PM2.5的速度相比，絕對(duì)當(dāng)量粗糙度大于或小于2.5 μm時(shí)，測(cè)量口附近PM2.5的粒速均下降，且部分PM2.5粒子容易沉積或滯留在測(cè)量口壁面，影響測(cè)量精度。該研究可為相關(guān)監(jiān)測(cè)儀器的氣路設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。

PM2.5； 絕對(duì)當(dāng)量粗糙度； 測(cè)量口； 速度； 沉積

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大氣污染也已成為我國(guó)環(huán)境污染的第一大問(wèn)題。大氣污染物主要為氣溶膠顆粒物，按其空氣動(dòng)力學(xué)直徑把2.5 μm以下的顆粒物稱為PM2.5。PM2.5對(duì)人體危害極大[1-4]。因此，對(duì)PM2.5測(cè)量工作的研究尤為重要。 在線監(jiān)測(cè)的光學(xué)濃度測(cè)量?jī)x，由于長(zhǎng)期使用中，測(cè)塵樣氣中的固體顆粒與測(cè)量口內(nèi)壁面發(fā)生不規(guī)則碰撞，產(chǎn)生凹痕，連續(xù)的凹痕擠壓形成凸峰[5]。在循環(huán)往復(fù)過(guò)程中，凹痕的加深、凸峰的增高改變了測(cè)量口微表面的粗糙度。杜東興[6]認(rèn)為相對(duì)粗糙度大于3%就會(huì)對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生不可忽略的影響。廣義的粗糙度是指管壁微表面的表現(xiàn)狀態(tài)，包括凸起高度、凸起形狀以及凸峰的分布密度等。絕對(duì)當(dāng)量粗糙度是指管內(nèi)壁凸起高度的平均值[7]，因此，文中用絕對(duì)當(dāng)量粗糙度來(lái)定量分析測(cè)量口粗糙度對(duì)PM2.5顆粒流動(dòng)特性的影響。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

實(shí)驗(yàn)采用新型的光學(xué)濃度測(cè)量?jī)x[8]，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)原理

利用Gambit對(duì)光學(xué)粉塵濃度測(cè)量?jī)x進(jìn)行幾何建模，管徑設(shè)置為0.03 m，為了更好地反映實(shí)驗(yàn)效果，將測(cè)量裝置簡(jiǎn)化處理為2D平面模型。對(duì)該結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因?yàn)楣鈱W(xué)測(cè)量裝置的主體結(jié)構(gòu)是空心圓柱，所以采用Elements:Quad和Type:Map的網(wǎng)格劃分方式。每個(gè)網(wǎng)格的面積設(shè)定為1 mm2，整個(gè)裝置的幾何模型共10 500個(gè)網(wǎng)格。設(shè)定左邊為流場(chǎng)入口，右邊為流場(chǎng)出口，入口為速度入口，出口為壓力出口。流場(chǎng)簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化流場(chǎng)模型

1.2 模擬參數(shù)

利用Fluent軟件對(duì)光學(xué)粉塵濃度測(cè)量?jī)x進(jìn)行模擬仿真，實(shí)驗(yàn)采用歐拉模型對(duì)空氣和PM2.5兩相進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)定湍流模型為k-epsilon(2eqn)。第一相設(shè)置為空氣，第二相設(shè)置為粉塵，依次定義流體的物理屬性?？諝饷芏仍O(shè)為1.165 kg/m3。粉塵的物理屬性設(shè)定如下：密度2 700 kg/m3，比熱容1 200 J/(kg·K)，黏度為0.044 kg/(m·s)，導(dǎo)熱系數(shù)0.3 W/(m·K)，體積分?jǐn)?shù)1%，顆粒的形狀系數(shù)為0.8，其他參數(shù)默認(rèn)。模型的水力直徑為0.5，Volume松弛因子為0.5，Pressure和Momentum分別為0.3和0.7，其他默認(rèn)。收斂精度設(shè)為0.001，設(shè)定邊界條件：設(shè)置入口為速度入口，出口為壓力出口，其他管壁默認(rèn)為墻面。粉塵粒徑為2.5 μm，空氣入口速度為5 m/s，粉塵入口速度為4 m/s。粉塵通道模擬時(shí)設(shè)置Ra分別為0、100和0.25 μm，其他參數(shù)保持不變。測(cè)量口局部模擬設(shè)定粗糙壁面的粗糙元為矩形粗糙元[9]，其凸起高度大于2.5 μm，其他參數(shù)保持不變。

在拉式坐標(biāo)系中，F(xiàn)luent利用顆粒間相互作用的微分方程來(lái)求解離散相粉塵的軌道，得到粉塵的作用力方程：

式中：v——空氣流速； vp——粒子速度； FD(v-vp)——單位質(zhì)量粒子的拽引阻力； gi——流體微元上i方向的體力； ρp——顆粒密度； ρ——空氣密度； Fs——粒子附近流體引起的附加作用力。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 粉塵通道

圖3為不同壁面條件下測(cè)量口PM2.5粒子軌跡圖。由圖3a可見(jiàn)，當(dāng)設(shè)置測(cè)量口壁面為水力光滑區(qū)，即Ra為0時(shí)，測(cè)得測(cè)量口近壁側(cè)的PM2.5速度為3.23 m/s。在相同的入口速度下，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置絕對(duì)當(dāng)量粗糙度分別為PM2.5粒徑的10～100倍，得到測(cè)量口PM2.5的速度較為接近。當(dāng)取Ra為100 μm，觀察測(cè)量口近壁側(cè)PM2.5的速度為1.08 m/s，小于光滑壁面時(shí)的速度(圖3b)。設(shè)置絕對(duì)當(dāng)量粗糙度依次為PM2.5粒徑的1/10～1/100,得到PM2.5在測(cè)量口的速度較為相近。當(dāng)取Ra為0.25 μm，由圖3c可見(jiàn)，此時(shí)速度為2.03 m/s，小于光滑壁面下測(cè)量口PM2.5的速度，略大于Ra>2.5 μm時(shí)測(cè)得的PM2.5速度。

a Ra=0 μm

b Ra=100 μm

c Ra=0.25 μm

Fig. 3 Picture of PM2.5trajectories beside wall of measurement port

因此，在其他參數(shù)設(shè)置完全一致時(shí)，F(xiàn)luent仿真發(fā)現(xiàn)粗糙度大于或小于2.5 μm情況下，PM2.5在測(cè)量口近壁側(cè)的速度都相對(duì)于光滑壁面時(shí)有所下降。光學(xué)濃度測(cè)量?jī)x在長(zhǎng)期使用中，PM2.5經(jīng)過(guò)測(cè)量窗口時(shí)都會(huì)面臨粗糙度影響帶來(lái)的速度流失，速度的下降致使部分PM2.5沉積于測(cè)量口，造成測(cè)量口的污染。

2.2 測(cè)量口局部

圖4為凸起高度100 μm時(shí)粗糙元間PM2.5的流動(dòng)狀態(tài)，其他凸起高度(大于2.5 μm)下情況類似。

圖4 粗糙元間PM2.5的流動(dòng)

Fig. 4 Enlarged picture of PM2.5flow in roughness element

由圖4可見(jiàn),當(dāng)氣固兩相流體流過(guò)粗糙的測(cè)量口壁面時(shí)，靠近壁面的部分PM2.5粒子流會(huì)滯留在相鄰粗糙元間做渦流運(yùn)動(dòng)，與主流流體的動(dòng)量、能量交換很少，所以滯留的粒子很難再重新回到流場(chǎng)中。因此，絕對(duì)當(dāng)量粗糙度大于PM2.5粒徑時(shí)對(duì)PM2.5的影響是:會(huì)使部分PM2.5粒子沉積在相鄰粗糙元形成的空穴內(nèi),也就是沉積在光學(xué)測(cè)量?jī)x的測(cè)量口的粗糙壁面上。文中實(shí)驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果與鄒江等[10]論述的結(jié)論一致。

3 結(jié) 論

(1)兩種粗糙度對(duì)測(cè)量口近壁側(cè)PM2.5的粒速都有不同程度的影響。與光滑測(cè)量口PM2.5的速度相比，粗糙度小于2.5 μm時(shí)PM2.5速度下降1 m/s左右，粗糙度大于2.5 μm時(shí)PM2.5的速度下降2 m/s左右。粗糙度大于2.5 μm時(shí)PM2.5的粒速受到的影響較大。

(2)測(cè)量口粗糙度的影響使得PM2.5在測(cè)量口處的速度下降，導(dǎo)致其沉積在測(cè)量口壁面，而當(dāng)粗糙度大于2.5 μm時(shí)，部分PM2.5被截留在粗糙元間。無(wú)論是沉積在測(cè)量口壁面的PM2.5還是被截留的部分PM2.5，都會(huì)阻擋測(cè)量光路的通過(guò)，對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。

[1] 張少紅，于少華. PM2.5的來(lái)源、危害及防治措施研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2014，39(7)： 93-94.

[2] Wang Chengfu, Shi Xiaodong. Harm and trapping strategy research on tiny dusts PM2.5[J]. Applied Mechanics and Meterials, 2011, 88(8): 503-508.

[3] 林筱蘊(yùn)，凌 暉，徐 璐，等. 淺談PM2.5來(lái)源、污染、危害和預(yù)防控制[J]. 廣州化工, 2016, 44(12): 148-149.

[4] 劉潔嶺，蔣文舉．PM2.5的研究現(xiàn)狀及防控對(duì)策[J]．廣州化工，2012，23(40): 22 -23．

[5] 王輝堯. 低速顆粒擾流圓管磨損的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 沈陽(yáng)： 東北大學(xué)，2014: 50-59.

[6] 杜東興. 可壓縮性及粗糙度對(duì)微細(xì)管內(nèi)流動(dòng)及換熱特性的影響[D]. 北京: 清華大學(xué), 2000: 102-103.

[7] 姚雪蕾，袁成清，付宜風(fēng)，等. 管道內(nèi)壁粗糙度對(duì)沿程阻力影響的FLUENT數(shù)值模擬研究[J]. 航海工程，2015，44(6)： 101-102.

[8] 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司. 一種易維護(hù)光學(xué)式粉塵濃度檢測(cè)裝置[P]. 中國(guó)專利: 204044034, 2014-12-24.

[9] 譚德坤，劉 瑩. 壁面粗糙度效應(yīng)對(duì)微流體流動(dòng)特性的影響[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2015，26(9)： 1210-1213.

[10] 鄒 江，彭曉峰，顏維謀. 壁面粗糙度對(duì)通道流動(dòng)特性的影響[J]. 化工學(xué)報(bào)，2008，59(1): 25-30.

(編校 王 冬)

Influence of measurement port wall roughness on flow characteristic of PM2.5

LiuDandan,HaoWenliang,TangChunrui,JingRan

(School of Electrical & Control Engineering，Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is aimed at addressing the measurement precision resulting from the change in measurement port roughness triggered by the long-term use of optical dust meter. The study drawing on the hydrodynamics of gas-solid two-phase flow theory analyses the flow characteristic of PM2.5with the different roughness in measurement port using the turbulence model and discrete phase model of Lagrange. The results show that, compared with the velocity of PM2.5near the smooth wall, there is a decrease in the velocity of PM2.5particles near the measuring port if the absolute equivalent roughness is greater or smaller than 2.5 μm, and some of PM2.5particles are more likely to deposit or strand in the wall of measurement port, affecting the measuring accuracy. The study could provide a necessary basis for the design of the gas path of related monitor device.

PM2.5; absolute equivalent roughness; measurement port; velocity; deposition

2017-04-03

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12511477)

劉丹丹 (1978-)，女，吉林省扶余人，副教授，博士，研究方向：礦山安全監(jiān)測(cè)與控制，E-mail:liudandan2003@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.03.024

X51; O35

2095-7262(2017)03-0321-03

A