雙區(qū)靜電除塵器的數(shù)值模擬研究

高夢(mèng)翔,姚 鑫,朱 勇,張益坤,施建偉,上官文峰

?

雙區(qū)靜電除塵器的數(shù)值模擬研究

高夢(mèng)翔,姚 鑫,朱 勇,張益坤,施建偉,上官文峰*

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240)

采用數(shù)模擬的方法研究了雙區(qū)靜電除塵器內(nèi)流場(chǎng)分布、顆粒荷電及顆粒運(yùn)動(dòng)等難以直接測(cè)量的物理過(guò)程,構(gòu)建了雙區(qū)靜電除塵過(guò)程完整的數(shù)值模型.采用泊松方程、電流連續(xù)性方程和勻強(qiáng)電場(chǎng)方程描述電場(chǎng),采用N-S方程和雷諾應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)湍流模型描述流場(chǎng),采用拉格朗日法描述顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡.通過(guò)截面風(fēng)速與顆粒去除率的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比,驗(yàn)證了數(shù)值模型在模擬內(nèi)部流場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)確性.數(shù)值模擬結(jié)果表明:雙區(qū)靜電除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布對(duì)入口風(fēng)速的變化非常敏感;顆粒荷電方式占比由顆粒粒徑?jīng)Q定;荷電區(qū)內(nèi)顆粒向極板的趨近過(guò)程由流體曳力和電場(chǎng)力共同完成,收塵區(qū)內(nèi)的趨近過(guò)程則由電場(chǎng)力主導(dǎo);入口流速通過(guò)改變顆粒前進(jìn)速度和內(nèi)部流場(chǎng)形態(tài)來(lái)影響顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡.

雙區(qū)靜電除塵；數(shù)值模擬；流場(chǎng)分布；除塵效率

近年來(lái),我國(guó)多數(shù)城市大氣污染嚴(yán)重,以PM2.5為代表的空氣細(xì)顆粒污染物引起社會(huì)廣泛關(guān)注[1-2].面對(duì)這一健康威脅,室內(nèi)空氣凈化器成為越來(lái)越多人的選擇.而靜電除塵器(ESP)因效率高、阻力小和無(wú)耗材的特點(diǎn)受到關(guān)注,其在室內(nèi)空氣凈化領(lǐng)域的潛力正被挖掘和研究[3].

常用的電除塵器按結(jié)構(gòu)可分為單區(qū)和雙區(qū),區(qū)別在于前者內(nèi)部顆粒的荷電和捕集過(guò)程同時(shí)進(jìn)行,而后者顆粒荷電和捕集過(guò)程則分別在荷電區(qū)和收塵區(qū)完成.單區(qū)ESP結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,處理流量大,常應(yīng)用于工廠尾氣處理.但內(nèi)部電流體的作用使其對(duì)小粒徑顆粒的捕集效果較低[4],臭氧發(fā)生率也較高[5],不適用于室內(nèi)空氣凈化.相較而言在這兩方面表現(xiàn)更優(yōu)的雙區(qū)ESP更能滿足室內(nèi)空氣凈化的需求[6-7].

近年來(lái)研究者對(duì)雙區(qū)ESP的研究重點(diǎn)在于超細(xì)顆粒物去除率的提升,研究方向可歸納為材料開(kāi)發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化.例如使用新的放電極材料或?qū)κ諌m極表面包裹泡沫材料,以強(qiáng)化顆粒荷電過(guò)程或減少二次揚(yáng)塵現(xiàn)象,使超細(xì)顆粒物去除率得到提升[8-9].此外也有學(xué)者對(duì)雙區(qū)ESP的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,目標(biāo)主要為顆粒凝并結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),使超細(xì)顆粒在荷電的同時(shí)凝并長(zhǎng)大,降低超細(xì)顆粒物的捕集難度[10].另外有學(xué)者專(zhuān)注于雙區(qū)ESP的參數(shù)優(yōu)化,測(cè)定放電極電壓、供電方式(AC/DC)、入口風(fēng)速和顆粒粒徑與顆粒去除率的關(guān)系,探討ESP電源參數(shù)的設(shè)定原則[11-12].

然而上述關(guān)于雙區(qū)ESP的研究均停留在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象層面,僅關(guān)注實(shí)驗(yàn)條件與顆粒去除效率的關(guān)系,缺乏對(duì)于雙區(qū)ESP內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程的認(rèn)識(shí).雙區(qū)靜電除塵的實(shí)際物理過(guò)程非常復(fù)雜,內(nèi)部電場(chǎng)、流場(chǎng)和顆粒物相互耦合,一種物理量的改變會(huì)引起其他物理量的變化,因此改變單一實(shí)驗(yàn)條件以觀察顆粒去除率增減的做法很難反映現(xiàn)象背后的原理和邏輯.應(yīng)當(dāng)對(duì)雙區(qū)靜電除塵過(guò)程建立完備的數(shù)學(xué)模型,研究?jī)?nèi)部的顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程,對(duì)顆粒荷電特性進(jìn)行定量分析,才能深入認(rèn)識(shí)這一物理過(guò)程及指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì).

本文提出了一種雙區(qū)ESP數(shù)值模型的構(gòu)建方法,建立了其內(nèi)部流場(chǎng)與顆粒運(yùn)動(dòng)的二維數(shù)值模型,對(duì)流場(chǎng)采用時(shí)均N-S方程和雷諾應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)湍流模型求解,對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)采用拉格朗日法求解.為驗(yàn)證數(shù)值模型,模擬計(jì)算了一個(gè)線板式雙區(qū)ESP內(nèi)部流場(chǎng)和顆粒軌跡,截面風(fēng)速和顆粒去除率的模擬值與實(shí)驗(yàn)值均相吻合.在驗(yàn)證模型后,進(jìn)一步分析了雙區(qū)ESP內(nèi)部流場(chǎng)分布、顆粒荷電特性及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡,研究了入口風(fēng)速對(duì)顆粒軌跡的影響方式.

1 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法

1.1 電場(chǎng)模型

忽略氣流和顆粒對(duì)電場(chǎng)的影響,荷電區(qū)電暈放電電場(chǎng)的空間分布滿足泊松方程和電流連續(xù)方程[13]:

×(0)=×(-0?)=(1)

×= 0 (2)

式中:為荷電區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度,V/m;為電流密度,A/m2;為電勢(shì),V;為荷電區(qū)空間電荷密度,C/m3;0為氣體介電常數(shù),8.85×10-12C2/(N·m2).方程(1)和(2)的邊界條件如表1所示,其中w為放電極電勢(shì),w為放電極表面空間電荷密度,可基于Kaptzov假設(shè)和Peeks公式計(jì)算.

表1 荷電區(qū)電場(chǎng)邊界條件

收塵區(qū)由多個(gè)帶電平行極板組成.忽略邊緣效應(yīng)及流體內(nèi)電荷的影響,可認(rèn)為極板間電場(chǎng)強(qiáng)度大小相等,方向由正極板垂直指向接地極板.收塵區(qū)內(nèi)電場(chǎng)滿足勻強(qiáng)電場(chǎng)方程:

c=/(3)

式中:c為極板間電場(chǎng)強(qiáng)度,V/m;為正負(fù)極板間電勢(shì)差,V;為極板間距,m.

1.2 流場(chǎng)模型

荷電區(qū)內(nèi)流體中的大量電荷使流體本身在強(qiáng)電場(chǎng)作用下受到電場(chǎng)力,因此荷電區(qū)內(nèi)的流場(chǎng)也被稱(chēng)為電流場(chǎng).假定放電極產(chǎn)生的電荷僅存在于荷電區(qū)而不進(jìn)入收塵區(qū),忽略收塵區(qū)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的作用.已有的研究表明[14]荷電區(qū)和收塵區(qū)內(nèi)流場(chǎng)可以用時(shí)均Navier-Stokes方程和雷諾應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)湍流模型[15]求解.時(shí)均Navier-Stokes方程可以寫(xiě)作如下形式:

×= 0 (4)

f(×)=-(+t)2+ci(5)

式中:為流體速度,m/s;f為流體密度,kg/m3;為層流黏性系數(shù),kg/(m·s);t為湍流黏性系數(shù), kg/ (m·s);為壓力,Pa;ci為流體受到電場(chǎng)的體積力, N/m3,荷電區(qū)內(nèi)此項(xiàng)計(jì)算方式如方程(6)所示,收塵區(qū)內(nèi)此項(xiàng)為零.

ci=(6)

對(duì)于方程(4)~(6),其邊界條件包括荷電區(qū)入口處的指定速度(in)、收塵區(qū)出口處的指定壓力(1atm)、荷電區(qū)和收塵區(qū)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).

1.3 顆粒荷電模型

為兼顧計(jì)算的準(zhǔn)確性和便捷性,考慮顆粒兩種荷電方式,選擇荷電量隨時(shí)間變化的模型[16-17]:

p() =field+diffusion(7)

對(duì)于電場(chǎng)荷電,其荷電量表達(dá)式為:

式中:b為Boltzman常數(shù),1.38×10-23J/K;c為擴(kuò)散荷電時(shí)間常數(shù),s.

1.4 顆粒運(yùn)動(dòng)模型

忽略顆粒物之間的相互作用,采用拉格朗日模型計(jì)算帶電顆粒在靜電除塵器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡,考慮曳力和電場(chǎng)力對(duì)顆粒的影響,靜電除塵器內(nèi)顆粒受力方程如下[18]:

式中:p為顆粒運(yùn)動(dòng)速度,m/s;p是顆粒密度,kg/m3;p是顆粒荷電量,C.

上述靜電催化耦合系統(tǒng)的電場(chǎng)、流場(chǎng)、顆粒荷電和顆粒運(yùn)動(dòng)模型通過(guò)軟件COMSOL求解.

2 數(shù)值模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

風(fēng)道含風(fēng)機(jī)、風(fēng)道主體、荷電區(qū)和收塵區(qū)等部分.風(fēng)道入口處設(shè)有氣體整流裝置,其后依次布置荷電區(qū)和收塵區(qū).從中間高度截取剖面,此剖面即二維數(shù)值模擬的計(jì)算對(duì)象,如圖1所示.風(fēng)道主體側(cè)面設(shè)有3個(gè)依次編號(hào)的采樣口,分別位于荷電區(qū)和收塵區(qū)前后.荷電區(qū)中央有直徑為0.22mm的電極線,通過(guò)高壓絕緣電線導(dǎo)出連接10kV的高壓電源,極板接地;收塵區(qū)中央極板接5kV高壓電源,其余極板接地.

圖1 數(shù)值模型的幾何參數(shù)

采用自由剖分三角形的方式生成網(wǎng)格,對(duì)電極線處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理.分別選取13261、20628、69874為網(wǎng)格單元數(shù)模擬相同除塵過(guò)程以驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性,除塵效率的相對(duì)誤差不超過(guò)2%,選取網(wǎng)格數(shù)為69874時(shí)的網(wǎng)格劃分,電極線處及整體網(wǎng)格如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)電除塵器網(wǎng)格劃分示意

2.2 驗(yàn)證方法與結(jié)果

流場(chǎng)的驗(yàn)證如下:調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)功率使氣流以0.5m/s的速度通過(guò)實(shí)驗(yàn)風(fēng)道的采樣口Ⅰ截面,使用TSI 9545型熱線式風(fēng)速儀在采樣口Ⅱ、Ⅲ處沿方向測(cè)量0,10,20,25,30,40,50mm處的風(fēng)速并記錄.數(shù)值模型中代入電極線電壓等相關(guān)邊界條件及物性參數(shù),計(jì)算后導(dǎo)出Ⅱ、Ⅲ截面的風(fēng)速模擬曲線并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比.由圖3可知兩個(gè)采樣口截面風(fēng)速的模擬值與實(shí)測(cè)值符合良好,雙區(qū)ESP流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果可信.

圖3 風(fēng)速實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

圖4 顆粒去除率實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

除塵效率的驗(yàn)證如下:向?qū)嶒?yàn)風(fēng)道輸送混合均勻的帶塵氣流,使其依次通過(guò)荷電區(qū)和收塵區(qū),在采樣口Ⅰ和Ⅲ處使用蘇州自動(dòng)化儀器儀表研究所的CSJ-D型全半導(dǎo)體激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器測(cè)量風(fēng)道中心0.3~0.5μm、0.5~1μm和1~3μm 3個(gè)粒徑段顆粒的數(shù)量濃度,統(tǒng)計(jì)采樣口Ⅰ和Ⅲ處的顆粒濃度差以計(jì)算ESP除塵效率的實(shí)驗(yàn)值.在數(shù)值模型中設(shè)定顆粒基于入口截面網(wǎng)格釋放,初速度與氣流入口速度相同,選取測(cè)量粒徑段平均直徑0.4,0.75,2μm為顆粒直徑,煙塵平均密度2200kg/m3為顆粒密度進(jìn)行模擬,統(tǒng)計(jì)落在荷電區(qū)和收塵區(qū)極板上的顆粒數(shù)量以計(jì)算除塵效率的模擬值.由圖4可知,各粒徑顆粒的除塵效率模擬值與實(shí)驗(yàn)值符合良好,雙區(qū)ESP的顆粒去除率隨顆粒粒徑的減小而迅速下降.

通過(guò)流場(chǎng)及顆粒去除率的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知,本文提出的數(shù)值模型可以精準(zhǔn)模擬雙區(qū)ESP的除塵過(guò)程,無(wú)論內(nèi)部流速分布還是除顆粒物效率均與實(shí)測(cè)值非常接近.

3 結(jié)果與討論

3.1 流場(chǎng)的討論

圖5 雙區(qū)ESP速度分布

僅改變?nèi)肟陲L(fēng)速這一邊界條件,得到不同入口風(fēng)速下雙區(qū)ESP內(nèi)部的流速分布.如圖5所示,荷電區(qū)內(nèi)強(qiáng)電場(chǎng)和大量帶電離子使流體受到電場(chǎng)力的作用,運(yùn)行過(guò)程中的雙區(qū)ESP內(nèi)部流場(chǎng)并不均勻.氣流進(jìn)入荷電區(qū)入口后,在軸上受到電場(chǎng)力的方向在電極線上游與方向相反,在下游與方向相同,而軸上流體始終受到電極線朝向極板的電場(chǎng)力作用.因此電極線前的流體被迫偏離極板,電極線周?chē)魉偕?極板處流速降低.而電極線后的流體則加速流向極板,形成了電極線下游的帶狀低速區(qū).

對(duì)比圖5(a),(b),(c)可知,雙區(qū)ESP內(nèi)部流場(chǎng)形態(tài)對(duì)入口風(fēng)速非常敏感.隨著入口風(fēng)速增加,荷電區(qū)極板中央低速區(qū)逐漸消失,電極線下游帶狀低速區(qū)逐漸變窄,流場(chǎng)迅速變均勻.依據(jù)電流體相關(guān)理論可解釋此現(xiàn)象,荷電區(qū)內(nèi)電場(chǎng)力對(duì)流場(chǎng)的影響可用無(wú)量綱數(shù)EHD衡量,此無(wú)量綱數(shù)為流體受電場(chǎng)力與自身慣性力的比值,其值越大,電場(chǎng)力對(duì)流體的影響越顯著.

式中:為單位長(zhǎng)度電極線的放電電流,i為離子遷移率.由公式可知,EHD的值與in2成反比,入口速度的增加會(huì)大幅降低流體受電場(chǎng)力的影響,使得電場(chǎng)力導(dǎo)致的流場(chǎng)畸變迅速恢復(fù).

3.2 顆粒荷電的討論

數(shù)值模擬計(jì)算完畢后,導(dǎo)出荷電區(qū)內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的荷電量數(shù)據(jù),繪制顆粒荷電特性曲線及顆粒荷電方式占比,如圖6及圖7所示.

圖6 顆粒荷電特性曲線

由圖6可知,顆粒物荷電量在短時(shí)間內(nèi)迅速增加,隨后持續(xù)穩(wěn)定上升.截至荷電完畢,顆?？偤呻娏侩S著粒徑的減小而減小.結(jié)合顆粒荷電模型分析,荷電特性曲線反映了電場(chǎng)荷電和擴(kuò)散荷電這兩種不同荷電方式的作用效果.電場(chǎng)荷電的作用體現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)荷電量的快速增加,增加至上限(電場(chǎng)飽和荷電量)即停止.而擴(kuò)散荷電的作用體現(xiàn)在荷電量的持續(xù)增長(zhǎng),其增長(zhǎng)速率雖緩,擴(kuò)散荷電量卻可隨時(shí)間無(wú)限增加.

圖7 顆?？偤呻娏恐?種荷電方式占比

由圖7可知,電場(chǎng)荷電是2μm顆粒主要荷電方式,擴(kuò)散荷電是0.4μm和0.75μm顆粒主要荷電方式,顆粒粒徑越大,電場(chǎng)荷電所占比重越大,顆粒粒徑越小,擴(kuò)散荷電所占比重約大.針對(duì)兩種荷電方式的作用特點(diǎn),可對(duì)于不同粒徑大小的顆粒提出不同的優(yōu)化荷電方式.對(duì)于以電場(chǎng)荷電為主的2μm及以上顆粒,進(jìn)入荷電區(qū)后其電場(chǎng)荷電量能在短時(shí)間內(nèi)接近飽和,因此增加荷電區(qū)內(nèi)平均電場(chǎng)強(qiáng)度以提高電場(chǎng)荷電量的上限是提升此類(lèi)顆粒最終荷電量的有效途徑.而對(duì)于0.4μm及以下顆粒,其粒徑?jīng)Q定了電場(chǎng)荷電量在最終荷電量?jī)?nèi)占比很低,增加荷電區(qū)平均電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)最終荷電量的收益很小,只有盡量延長(zhǎng)其在荷電區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間才能使此類(lèi)顆粒最終荷電量穩(wěn)定增加.

3.3 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的討論

分別改變?nèi)肟陲L(fēng)速及顆粒粒徑,對(duì)雙區(qū)ESP的除塵過(guò)程進(jìn)行模擬.圖8為入口風(fēng)速為0.5m/s時(shí)不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡.由圖8可知,雙區(qū)ESP的荷電區(qū)和收塵區(qū)均有除塵效果,顆粒去除效率隨粒徑的減小而降低.按照顆粒軌跡特點(diǎn),雙區(qū)ESP的除塵過(guò)程可分為荷電區(qū)內(nèi)和收塵區(qū)內(nèi)2個(gè)階段.荷電區(qū)內(nèi)顆粒向極板的趨近過(guò)程受電流體曳力和電場(chǎng)力共同影響,中央顆粒在流體曳力和電場(chǎng)力的合力作用下加速向下游前進(jìn),靠近兩側(cè)極板的顆粒則在合力作用下趨近極板,部分顆粒被荷電區(qū)極板捕獲.收塵區(qū)內(nèi)顆粒向極板的趨近過(guò)程主要受電場(chǎng)力控制,顆粒進(jìn)入收塵區(qū)后荷電量恒定,所受電場(chǎng)力恒定并垂直指向極板,收塵區(qū)內(nèi)顆粒軌跡近似直線,顆粒粒徑越大,斜線傾角越大,被收塵極板捕獲的顆粒就越多.

圖8 不同粒徑顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9 不同入口風(fēng)速下2μm顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9為不同入口風(fēng)速下雙區(qū)ESP內(nèi)部2μm顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡.結(jié)合3.1節(jié)所述,可確定入口風(fēng)速增加對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡存在2方面的影響.其一是顆粒在ESP內(nèi)停留時(shí)間變短,電場(chǎng)力對(duì)顆粒作用時(shí)間減少,縮短了顆粒向極板的趨近距離,導(dǎo)致更少顆粒被極板捕獲.其二是入口風(fēng)速增加引起的流場(chǎng)形態(tài)變化會(huì)影響顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡.舉例說(shuō)明,當(dāng)入口風(fēng)速為0.5m/s時(shí),圖5(a)的荷電區(qū)極板中心存在低速區(qū)域,顆粒經(jīng)過(guò)此區(qū)域時(shí)前進(jìn)速度放緩,電場(chǎng)力對(duì)顆粒物的捕集效果增加.這一過(guò)程在顆粒軌跡上的體現(xiàn)如圖9(a)所示,此區(qū)域內(nèi)的顆粒軌跡呈曲線,極板捕獲顆粒的數(shù)量較其他區(qū)域也更多.而隨著入口風(fēng)速的增加, ESP內(nèi)部流場(chǎng)由不均勻向均勻轉(zhuǎn)變,存在流速差異的區(qū)域消失,顆粒軌跡越來(lái)越平直,極板上顆粒的落點(diǎn)分布更均勻.綜上所述,研究顆粒物去除率與入口風(fēng)速的關(guān)系時(shí),不能簡(jiǎn)單認(rèn)為入口風(fēng)速只影響顆粒前進(jìn)速度或停留時(shí)間,還應(yīng)具體分析不同入口風(fēng)速下ESP內(nèi)部流場(chǎng)形態(tài),考慮流場(chǎng)形態(tài)的變化對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響.

4 結(jié)論

4.1 構(gòu)建了雙區(qū)ESP的數(shù)值模型,且數(shù)值模型通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,截面風(fēng)速和除塵效率的模擬值均與實(shí)驗(yàn)值吻合很好.

4.2 荷電區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)和帶電離子使雙區(qū)ESP內(nèi)部流體受到電場(chǎng)力的作用,電極線周?chē)魉偌涌?荷電區(qū)極板中心流速降低.隨著入口風(fēng)速增加,電場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的影響迅速降低,內(nèi)部流場(chǎng)變均勻.

4.3 顆粒粒徑越大,電場(chǎng)荷電量占比越大;顆粒粒徑越小,擴(kuò)散荷電量占比越大.增加荷電區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度是提升大粒徑顆粒荷電量的有效手段,延長(zhǎng)小粒徑顆粒在荷電區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間可使其荷電量穩(wěn)定增加.

4.4 雙區(qū)ESP荷電區(qū)和收塵區(qū)均具有除塵效果.荷電區(qū)內(nèi)顆粒在流體曳力和電場(chǎng)力共同作用下趨近極板,而在收塵區(qū)內(nèi)顆粒向極板的趨近過(guò)程由電場(chǎng)力主導(dǎo),并且隨著顆粒粒徑的減小,雙區(qū)靜電除塵器的除塵效率明顯降低.

4.5 入口風(fēng)速增加對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響并非簡(jiǎn)單地增加顆粒在雙區(qū)ESP內(nèi)的前進(jìn)速度,其引起的流場(chǎng)形態(tài)的改變也會(huì)作用于顆粒軌跡.

[1] 李云燕,殷晨曦.京津冀地區(qū)PM2.5減排實(shí)效與影響因素的門(mén)限效應(yīng) [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2017,37(4):1223-1230.

[2] 李 鋒,朱 彬,安俊嶺,等.2013年12月初長(zhǎng)江三角洲及周邊地區(qū)重霾污染的數(shù)值模擬 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(7):1965-1974.

[3] 李幫俊,范澤云,張 溢,等.高壓靜電催化耦合凈化空氣中的臭氧控制及其室內(nèi)濃度預(yù)測(cè)模型 [J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2017,11(7):4117- 4124.

[4] Skodras G, Kaldis S P, Sofialidis D, et al. Particulate removal via electrostatic precipitators—CFD simulation [J]. Fuel Processing Technology, 2006,87(7):623-631.

[5] Niu J L, Tung T C W, Burnett J. Quantification of dust removal and ozone emission of ionizer air-cleaners by chamber testing [J]. Journal of Electrostatics, 2001,51:20-24.

[6] Hyun O, Baek M, Moon J, et al. Performance evaluation of two-stage electrostatic air filter with low-ozone emission corona charger [J]. Particulate Science & Technology, 2016,35(1):71-76.

[7] Kim H J, Han B, Kim Y J, et al. Submicrometer particle removal indoors by a novel electrostatic precipitator with high clean air delivery rate, low ozone emissions, and carbon fiber ionizer [J]. Indoor Air, 2013,23(5):369.

[8] Kim Y J, Han B, Chang G W, et al. Performance of Ultrafine Particle Collection of a Two-Stage ESP Using a Novel Mixing Type Carbon Brush Charger and Parallel Collection Plates [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2017,53(1):466-473.

[9] Wen T Y, Wang H C, Krichtafovitch I, et al. Novel electrodes of an electrostatic precipitator for air filtration [J]. Journal of Electrostatics, 2015,73:117-124.

[10] Sobczyk A T, Marchewicz A, Krupa A, et al. Enhancement of collection efficiency for fly ash particles (PM2. 5) by unipolar agglomerator in two-stage electrostatic precipitator [J]. Separation & Purification Technology, 2017,187:91-01.

[11] Jaworek A, Marchewicz A, Krupa A, et al. Dust particles precipitation in AC/DC electrostatic precipitator [J]. Journal of Physics Conference, 2015,646(1):012031.

[12] 沈之旸,鄭成航,劉昕濤,等.高溫?zé)煔忪o電除塵中試試驗(yàn)研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2018,38(5):1637-1645.

[13] 龍正偉,馮壯波,姚 強(qiáng).靜電除塵器數(shù)值模擬 [J]. 化工學(xué)報(bào), 2012, 63(11):3393-3401.

[14] Nikas K S P, Varonos A A, Bergeles G C. Numerical simulation of the flow and the collection mechanisms inside a laboratory scale electrostatic precipitator [J]. Journal of Electrostatics, 2005,63(5):423- 443.

[15] Launder B E, Spalding D B. The numerical computation of turbulent flows [J]. Computer Methods in Applied Mechanics & Engineering, 1974,103(2):269-289.

[16] Long Z W, Yao Q. Evaluation of various particle charging models for simulating particle dynamics in electrostatic precipitators [J]. Journal of Aerosol Science, 2010,41(7):702-718.

[17] 周棟梁,李水清,靳 星,等.電場(chǎng)、流場(chǎng)耦合作用下脫除細(xì)顆粒物的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬 [J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016,36(2):453-458.

[18] Yamamoto T, Morita Y, Fujishima H, et al. Three-dimensional EHD simulation for point corona electrostatic precipitator based on laminar and turbulent models [J]. Journal of Electrostatics, 2006,64(7-9): 628-633.

Numerical simulation study of two-stage electrostatic precipitator.

GAO Meng-xiang, YAO Xin, ZHU Yong, ZHANG Yi-kun, SHI Jian-wei, SHANGGUAN Wen-feng*

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)., 2018,38(10)：3698~3703

A complete numerical model was developed for the dust removal process in the two-stage electrostatic precipitator (ESP). Numerical simulation method was used to study velocity distribution, particle charging characteristics, particle moving tracks and other physical processes which were difficult to measure directly. The electric field was analyzed using Poisson equation, current continuity equation and homogeneous electric field equation. Fluid flow was elucidated using N-S equation and the standard k-ε turbulent model. Particle tracks were described using Lagrangian method.The accuracy of the numerical model was verified by comparing the numerical results with the experimental data of the cross-sectional velocity and the particle removal rate. Numerical simulation results showed that the fluid flow distribution in two-stage ESP was sensitive to the inlet wind speed. The proportion of charge with different charging methods was determined by particle diameter. And the particles of different sizes had different dominant charging methods. Moreover, the approach of particles to plates was caused by the interaction of the electric force and the drag force in pre-charger, while the approach in dust collection part was dominated by electric force. It was also found that the inlet velocity influenced the particle tracks by changing particle advance speed and internal flow field.

two-stage electrostatic precipitator；numerical simulation；fluid flow distribution；dust-removal efficiency

X513

A

1000-6923(2018)10-3698-06

高夢(mèng)翔(1994-),男,江蘇徐州人,上海交通大學(xué)碩士研究生,主要從事室內(nèi)空氣凈化相關(guān)研究.

2018-03-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21577088);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC0211805)

* 責(zé)任作者, 教授, shangguan@sjtu.edu.cn