改進康達效應的靜電感應粉塵測量裝置

劉丹丹，黃鵬升，景明明，溫海蔚，趙文帝

(1.黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022； 2.國網(wǎng)甘肅省電力公司建設分公司，蘭州 730050)

0 引 言

隨著工業(yè)化的飛速發(fā)展，尤其是煤礦的掘進和采煤以及其它金屬礦山的開采，粉塵的危害逐漸被人們廣泛認識，由粉塵引起的塵肺病是危害中國工人健康的最嚴重的職業(yè)病，同時，粉塵對生產、環(huán)境、經(jīng)濟效益有著嚴重影響。為了控制粉塵和預防塵肺病的發(fā)生與粉塵爆炸等，有必要對粉塵的濃度進行測定，以評價粉塵的危害程度[1-3]。粉塵濃度測量方法隨著測量原理的不同，適用范圍也不盡相同，取樣法有濾膜稱重法、基于β射線的樣品測試法、微量振蕩天平法等[4-6]，非取樣有法光透射法、光散射法、電荷感應法、預測流速法等[7-9]。目前煤礦粉塵濃度連續(xù)檢測主要采用激光散射法，但其光學窗口易污染、氣路容易阻塞、維護頻繁。

靜電感應原理測量粉塵濃度近年來受到國內外學者的重視并有一定成果。其測量裝置基本免維護，不存在氣路堵塞。許傳龍[10]在分析現(xiàn)有靜電傳感器理論模型的基礎上，根據(jù)點電荷的思想提出了改進的靜電傳感器測量模型。陳建閣等[11]利用棒狀電極提出了粉塵濃度檢測技術，通過實驗證明電荷感應法粉塵濃度檢測技術具有較好的重復性。劉丹丹等[12-13]根據(jù)文丘里效應，提出通過減小現(xiàn)有測量管道的中間部分管徑,提高粉塵顆粒的運動速度,增大了高粉塵的靜電感應量，獲得粉塵濃度與電荷量呈正相關，粉塵顆粒的碰撞幾率與電荷量呈正相關[14-17]。筆者應用靜電感應原理，利用康達效應，通過在項目組現(xiàn)有的康達管內部勺型管的基礎上增加了矩形齒結構，增大粉塵顆粒的運動速度，使其碰撞機率加大，獲得相應的電荷感應量，選取最優(yōu)結構組合，通過仿真實驗驗證其有效性。

1 粉塵檢測裝置的設計

1.1 改進裝置的設計原理

現(xiàn)有基于靜電感應原理的粉塵測量裝置為直管管道，由于管道內的氣流作用，粉塵在其內部經(jīng)過一系列的物理活動后產生靜電，粉塵產生的靜電量可通過測量裝置得到，再經(jīng)過對產生的靜電量進行計算，從而得到粉塵的濃度[18]。其結構如圖1所示。

在現(xiàn)有直管管道結構簡單，操作便利的基礎上，設計了一種勺型管與矩形齒結構互相連接的康達效應管道，提高測量裝置的準確度?？颠_效應即平順流動的流體經(jīng)過有一定彎度的凸表面時，由原本的流動方向，改為隨著凸出的物體表面流動的傾向[19]。

圖1 現(xiàn)有直管裝置結構Fig. 1 Straight pipe structure of existing

1.2 改進裝置結構

依據(jù)康達效應，改進項目組先前設計的康達管道，如圖2、3所示。

圖2 改進前康達管Fig. 2 Coanda effect pipe structure of original

圖3 改進后康達管Fig. 3 Improved coanda effect tube structure

由圖2可見，d取6 cm、L取16 cm、L1取4 cm、L2取6 cm、L3取6 cm、L4取1 cm。改進現(xiàn)有的康達管結構，在內部效應體L2處增加矩形齒結構，d2為縱向長度，d3為厚度、m為矩形齒個數(shù)，d1取長度3.0 cm不變。除增設的矩形齒結構外，改進前后的康達管道參數(shù)一致。

2 仿真模型與結果分析

為了實驗的結果更為直觀清晰，實驗將模擬景明明[20]的康達管3D立體模型，并改變內部結構，啟動ANSYS FLUENT ，采用3D單精度求解器。設置求解器定義為壓力基隱式求解，選擇Eulerian模型，黏性為k-ε雙方程模型，為加快收斂，求解方案采用SIMPLEC算法來提高收斂性，控制方程采用QUICK差分格式。物性定義空氣為主相，定義粉塵為第二相，定義速度入口邊界條件，根據(jù)模型水力直徑及模型單體入口尺寸計算通道入口水力直徑，設置Mixture的湍流強度為5，水力直徑為0.5，空氣流速為4 m/s，粉塵流速為3 m/s，顆粒體積分數(shù)為0.015。Volume松弛因子為0.5，其它設為默認。收斂精度設為0.001，設置入口和出口分別為速度入口和自由出流出口[21-22]。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 改進后康達管3D模型的網(wǎng)格劃分Fig. 4 Mesh generation of 3D models

2.1 改進管道參數(shù)的尋優(yōu)

由于矩形齒的縱向長度、厚度及個數(shù)均會對粉塵顆粒的運動速度造成影響，故現(xiàn)從三個方面分析。首先設置矩形齒結構初始的縱向長度為2.0 cm、厚度為0.2 cm、橫向長度為6 cm，矩形齒個數(shù)為2個。將矩形齒的縱向長度、厚度、矩形齒個數(shù)分別作相應的增加。當一種影響因素改變時，其余兩種影響因素保持不變，以此獲得縱向長度、厚度及個數(shù)的影響度。然后在單因素實驗設計方法中選擇序貫實驗設計，即后批實驗需根據(jù)前批實驗結果進一步優(yōu)化后序貫進行，直到獲取最佳實驗結果。

利用ANSYS FLUENT進行仿真，設置粉塵粒徑為1 μm。相應速度值如圖5所示。由圖5可見，縱向長度、厚度、矩形齒個數(shù)的改變對原康達管速度的平均增加率為1.53%、5.80%、0.90%。故矩形齒的縱向長度、厚度、個數(shù)對速度的影響度排序為：矩形齒個數(shù)小于矩形齒縱向長度小于矩形齒厚度。故接下來通過對速度影響的主次順序來進行矩形齒結構的尋優(yōu)。

圖5 單一影響因素變化對應的速度Fig. 5 Speed corresponding to change of single influencing factor

當矩形齒結構厚度過大時，會將勺型管前端完全覆蓋，康達效應效果將會減弱，故厚度不應過大。由圖5可知，在0.2～1.4 cm范圍內，隨著厚度的增加，粉塵顆粒速度逐漸遞增，故選擇矩形齒厚度為1.4 cm。已知矩形齒厚度為1.4 cm，保持矩形齒個數(shù)為2，在1.6～3.0 cm范圍內通過仿真分別測得其速度值，如表1所示。由表1可知，當矩形齒狀厚度為1.4 cm，矩形齒個數(shù)為2時，縱向長度為3.0 cm時,粉塵顆粒速度最大，且縱向長度已達到管最大內徑，故選擇縱向長度為3.0 cm。

表1 縱向長度變化對應的速度

已知選擇矩形齒厚度為1.4 cm，縱向長度為3.0 cm，當厚度為1.4 cm，縱向長度為3.0 cm時，如若選擇鋸齒個數(shù)為7，勺形管的曲面部分將被完全覆蓋，此時無法體現(xiàn)出康達效應，故排除。矩形齒個數(shù)由2～6個變化所對應的速度值測量見表2。

表2 矩形齒個數(shù)變化對應的速度

由表2可知，粉塵顆粒的運動速度隨著矩形齒個數(shù)的增加而增加，獲取康達管在矩形齒厚度為1.4 cm，縱向長度為3.0 cm時，不同矩形齒個數(shù)時的速度云圖，在Planes里創(chuàng)建yz面查看，如圖6所示。由圖6可知，在不同的結構組合時，粉塵的運動速度是截然不同的，對于現(xiàn)有裝置而言，改進的康達管對粉塵顆粒的運動速度大大提升。同時由速度云圖可知，粉塵顆粒在管壁附近時，運動速度較低；在管內通道中間區(qū)域時，運動速度較高。原因是粉塵顆粒高速通過管道時，撞擊管壁導致運動速度降低，造成管道中間速度高，管壁附近速度低的現(xiàn)象。由于粉塵顆粒的電荷量可由粉塵顆粒之間或粉塵顆粒與管壁的撞擊來提升，所以不能僅以粉塵顆粒運動速度來判斷靜電感應量，還與管道的結構等參數(shù)有關。

圖6 不同結構時的速度云圖Fig. 6 Velocity cloud maps with different structures

3 靜電感應量

感應電荷量計算式為

(1)

F(x,θ)=[(0.5d)2+x2-dxcosθ]1/2，

(2)

式中：z——顆粒速度v與時間t的乘積；

b——極板寬度；

q——以一定速度通過極板的點電荷；

d——環(huán)形極板的直徑；

Q——極板上的感應電荷量；

x——感應電荷與極板中軸線的距離；

θ——積分塊與軸線的夾角；

F——點電荷極點間的作用力[23]。

靜電傳感器數(shù)學模型各參數(shù)如圖7所示。

圖7 靜電傳感器數(shù)學模型Fig. 7 Mathematical model of electrostatic sensor

由表2中的速度值，根據(jù)式(1)、(2)運用Matlab計算改進后康達管的電荷感應量，其電荷感應量歸一化如圖8所示。

圖8 d2=3.0 cm、d3=1.4 cm時對應的速度值Fig. 8 Corresponding velocity values of d2=3.0 cm，d3=1.4 cm

由圖8可以看出，粉塵顆粒粒徑為1 μm，當d2=3.0 cm、d3=1.4 cm、m=4時，顆粒靜電感應量最大。在Planes里創(chuàng)建yz面，查看粒徑在10 μm時直管管道、改進前康達管、改進后康達管的速度云圖如圖9所示。當d2=3.0 cm、d3=1.4 cm、m=4時壓力云圖如圖10所示。

圖9 粒徑為10 μm不同管道時的速度云圖Fig. 9 Velocity nephogram of different pipes with particle size of 10 μm

圖10 d2=3.0 cm、d3=1.4 cm、m=4時壓力云圖Fig. 10 Pressure nephogram of d2=3.0 cm, d3=1.4 cm, m=4

通過實驗仿真及計算分析d2=3.0 cm、d3=1.4 cm、m=4時的不同粒徑的粉塵速度并對比現(xiàn)有裝置直管、改進康達管粉塵速度數(shù)據(jù)，如表3所示。由表3可知，在所測量粉塵的粒徑中，改進后的康達管的速度值比改進前康達管速度值明顯提高，表明粉塵顆粒運動在改進后康達管中較劇烈，易發(fā)生碰撞擠壓。

表3 不同管道的速度數(shù)據(jù)

從圖10可以看出，改進后康達管的壓力分布，管道壓力在中間區(qū)域達到最大，也為粉塵運動速度在中間區(qū)域達到最大提供了驗證依據(jù)。

由表3中的速度值，根據(jù)式(1)、(2)，利用Matlab計算改進前康達管與改進后康達管，粒徑不同時的電荷感應量歸一化如圖11所示。

圖11 粒徑變化對應的電荷感應量對比Fig. 11 Comparison of charge inductance with particle

由圖11可知，電荷量歸一化曲線表明改進后康達管中粉塵所帶感應電荷量大于改進前康達管的感應電荷量，由于改變了粉塵的運動速度，因此粉塵的靜電感應量也會隨之增加，由圖11可見，粉塵感應電荷量明顯增大，平均增加20.95%。由此可見，改進后的康達效應管道在速度的提升上更具優(yōu)勢。

4 結 論

(1)依據(jù)康達效應，通過分析現(xiàn)有裝置結構，改進了康達效應管。采用ANSYS FLUENT，通過建立模型、仿真得到改進后康達管的各項速度值，在給定范圍內尋得最優(yōu)結構，當矩形齒結構縱向長度為3.0 cm、厚度1.4 cm、矩形齒個數(shù)為4時，粉塵顆粒電荷感應量最大。

(2)通過Matlab仿真分析靜電感應量，粉塵顆粒在改進后裝置的運動速度及靜電感應量明顯高于項目組先前研究的康達管，粉塵顆粒粒徑越小，運動速度增幅越大。電荷感應量平均增加率為20.95%，顆粒粒徑越小，電荷量增加率越大，對今后靜電感應測量裝置的改進提供參考。

(3)對項目組先前設計的康達管基礎上增加了矩形齒結構，在有限范圍內對改進后的康達管進行建模仿真，對康達管內部效應體勺型管與矩形齒結構的參數(shù)最優(yōu)組合后續(xù)將作更加精確的研究。