新型慣性沖擊器設(shè)計(jì)與性能分析*

孫茂文

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

近年來，環(huán)境污染已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在世界各大城市大氣中，顆粒物(PM)已經(jīng)達(dá)到較高的水平。PM1是導(dǎo)致大氣能見度降低和光化學(xué)污染不可忽略的產(chǎn)物，而且直徑小于0.5 μm顆粒物是對(duì)健康造成傷害的主要原因，顆粒物可以直接進(jìn)入肺泡和血管，引發(fā)人體呼吸道疾病，并提出隨著顆粒物粒徑的減小，對(duì)健康的不利影響也會(huì)增加[1]。因此，對(duì)空氣中PM0.5的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)高效檢測(cè)具有極為重要的意義。監(jiān)測(cè)空氣中PM濃度的關(guān)鍵步驟是將不同空氣動(dòng)力學(xué)直徑的氣溶膠顆粒進(jìn)行分離。慣性沖擊器是目前非常流行的氣溶膠粒度表征儀器，能有效地將亞微米級(jí)氣溶膠粒子按照其空氣動(dòng)力學(xué)直徑的不同分離開來。

從20世紀(jì)50年代開始 ,國(guó)外研究者就開始對(duì)慣性沖擊器的理論及應(yīng)用進(jìn)行研究[2]。Lee等[3]改變慣性沖擊器沖擊板的表面條件，即在沖擊板上涂上潤(rùn)滑油脂可以有效地減少氣溶膠粒子的反彈。Marjamaki等[4]研究了沖擊板的粗糙度對(duì)沖擊器收集效率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著沖擊板粗糙度的增大，慣性沖擊器的切割直徑也隨之減小。Kim等[5]設(shè)計(jì)了橢圓凹形沖擊板，并驗(yàn)證了橢圓凹槽長(zhǎng)軸與短軸長(zhǎng)之比的最佳范圍，以減小嘴慣性沖擊器的切割直徑。齊厚博[6]將沖擊板設(shè)計(jì)成型楔型和階梯型，通過改變內(nèi)流道流場(chǎng)的流動(dòng)形態(tài)，降低沖擊板附近的流體速度，從而減少粒子沉積的反彈概率，提高沖擊器的收集效率。

迄今為止，大量研究者主要考慮的是沖擊板形狀和表面條件對(duì)單級(jí)慣性沖擊器的影響，在國(guó)內(nèi)此類的研究也相對(duì)較少，筆者在橢圓凹槽型沖擊板慣性沖擊器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型二級(jí)慣性沖擊器，對(duì)其內(nèi)流道進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果表明其收集效率有明顯提高，切割直徑為0.5 μm，且有效的降低了壁損失。

1 慣性沖擊器設(shè)計(jì)

1.1 慣性沖擊器工作原理

慣性沖擊器是一種利用慣性實(shí)現(xiàn)將粒徑不同的粒子分離的裝置，二級(jí)慣性沖擊器的每級(jí)由加速噴嘴和沖擊板組成，如圖1(a)所示，工作過程中，氣流通過加速噴嘴加速后沖向沖擊板，此時(shí)氣流流動(dòng)方向會(huì)發(fā)生改變，粒徑較大的氣溶膠粒子受到較大的慣性力而與氣流流動(dòng)軌跡發(fā)生一定的偏離，撞擊到?jīng)_擊板上，而粒徑較小的氣溶膠粒子由于受到的慣性力較小，將會(huì)跟隨氣流繼續(xù)流動(dòng)，從而達(dá)到將不同粒徑的粒子分開的目的。圖1(b)為新型二級(jí)慣性沖擊器的其中一級(jí)，將傳統(tǒng)的平面沖擊板改為橢圓凹槽型沖擊板，可以有效的減少氣溶膠粒子的反彈，提高分離效率。其中，W為噴嘴直徑，T為噴嘴長(zhǎng)度，S為噴嘴到?jīng)_擊板的距離，P為沖擊板長(zhǎng)度，A為橢圓凹槽的長(zhǎng)半軸，B為橢圓凹槽的短半軸。

圖1 傳統(tǒng)慣性沖擊器和新型慣性沖擊器示意圖

1.2 慣性沖擊器設(shè)計(jì)

基于Marple的經(jīng)典慣性沖擊器設(shè)計(jì)理論[7]，斯托克斯數(shù)和雷諾數(shù)是兩個(gè)描述氣流中粒子行為的關(guān)鍵性參數(shù)，在慣性沖擊器設(shè)計(jì)中有非常重要的意義。其中，斯托克斯數(shù)(Stk)可由式(1)表示：

(1)

式中：Q為取樣流量；ρp為粒子密度；dp為粒子空氣動(dòng)力學(xué)直徑；μ為流體的粘度系數(shù)；Cc為滑移修正系數(shù)，其可由式(2)表示：

(2)

式中：λ為氣體分子的平均自由程長(zhǎng)度。

雷諾數(shù)(Re)作為表征流場(chǎng)流動(dòng)特性的重要參數(shù)，可由式(3)表示：

(3)

式中：ρ為流體密度；V為氣流的平均速度。

慣性沖擊器的切割直徑DP50為收集效率為50%時(shí)的粒子直徑，可由式(1)確定，其中Stk50是50%效率對(duì)應(yīng)的臨界Stokes數(shù)。對(duì)于圓形噴嘴，Stk50的取值范圍為0.22～0.25。文中擬設(shè)計(jì)的慣性沖擊器的切割直徑為0.5 μm，根據(jù)式(1)和式(2)可知，要使切割直徑達(dá)到亞微米級(jí)，需要較小的噴嘴直徑W和較大的采樣流量Q，在此，取樣流量確定為60 L/min。

根據(jù)慣性沖擊器理論基礎(chǔ)和以上設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，可以計(jì)算出加速噴嘴的直徑W，慣性沖擊器其它關(guān)鍵尺寸可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)由加速噴嘴的直徑W得出。圖2給出了二級(jí)慣性沖擊器內(nèi)流道二維示意圖。

圖2 二級(jí)慣性沖擊器內(nèi)流道示意圖

2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論模型

2.1 連續(xù)相控制方程

數(shù)學(xué)模型可以用來描述和控制流場(chǎng)中的流動(dòng)態(tài)勢(shì)。對(duì)于連續(xù)項(xiàng)，需要求解其質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程，在笛卡爾坐標(biāo)系下，流體的控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

(4)

動(dòng)量守恒方程：

(5)

式中：xi與xj為笛卡兒坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸x、y、z，其中j取1，2，3；ui與uj分別為速度u沿x軸、y軸、z軸的分量u、v、w；對(duì)于湍流με=μ+μt，其中με為流體有效粘度，μ為動(dòng)力粘度，μt為湍流粘度；P為流體壓力；Si為非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)分別沿x軸、y軸、z軸的分量S1、S2、S3。

2.2 離散相控制方程

氣流中分散的氣溶膠粒子需要在拉格朗日框架下進(jìn)行數(shù)值模擬，通過積分粒子力平衡方程對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行求解。笛卡爾坐標(biāo)下離散項(xiàng)粒子的力平衡方程為[8]：

(6)

(7)

(8)

3 采集器流場(chǎng)建模及仿真分析

建立新型慣性沖擊器內(nèi)流道二維模型，利用FLUENT軟件對(duì)二維模型進(jìn)行網(wǎng)格化和流體動(dòng)力學(xué)仿真。假定新型慣性沖擊器內(nèi)流道的數(shù)值模擬為穩(wěn)態(tài)，湍流、不可壓縮。邊界條件的設(shè)置如表1所列。

表1 邊界條件

由于慣性沖擊器內(nèi)流道模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在計(jì)算域軸線處設(shè)置軸對(duì)稱邊界條件；為了控制慣性沖擊器的設(shè)計(jì)采樣流量為60 L/min，設(shè)置入口速度為2.985 m/s；壁面的邊界條件設(shè)置為粒子捕捉，從而計(jì)算慣性沖擊器的壁面損失；離散項(xiàng)粒子密度為1 000 kg/m3，速度為2.985 m/s。

在取樣流量為60 L/min的情況下，二級(jí)慣性沖擊器內(nèi)流道速度云圖及0.5 μm粒子跡線圖分別如圖3、4所示。

圖3 二級(jí)慣性沖擊器內(nèi)流道速度云圖 圖4 0.5 μm粒子在二級(jí)慣性沖擊器內(nèi)流道跡線圖

新型二級(jí)慣性沖擊器一級(jí)收集效率曲線和壁面損失如圖6所示，對(duì)于收集效率曲線，第一級(jí)收集效率曲線接近理想狀況下的“Z”型效率曲線，切割直徑為2.8 μm。新型二級(jí)慣性沖擊器總收集效率曲線和壁面損失如圖7所示，對(duì)于收集效率曲線，二級(jí)慣性沖擊器總收集效率曲線也接近理想狀況下的“Z”型效率曲線，其切割直徑為0.5 μm；另一方面，新型二級(jí)慣性沖擊器的壁面損失最大值僅為1.93%，實(shí)現(xiàn)了超低壁面損失。

圖5 新型慣性沖擊器一級(jí)收集效率和壁面損失曲線

圖6 新型慣性沖擊器總收集效率和壁面損失曲線

4 結(jié) 語

慣性沖擊器是監(jiān)測(cè)空氣中PM0.5濃度的關(guān)鍵前提?；贛arple的經(jīng)典慣性沖擊器設(shè)計(jì)理論和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，設(shè)計(jì)了一種新型慣性沖擊器并對(duì)其內(nèi)流道流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，新型慣性沖擊器的切割直徑為0.5 μm，壁面損失最大值僅為1.93%，有效的提高了分離效率。