管式電除塵器內(nèi)部細(xì)顆粒流動(dòng)數(shù)值模擬

北極星環(huán)保網(wǎng)訊:摘要:為了進(jìn)一步探究電除塵器內(nèi)顆粒的流動(dòng)對(duì)除塵效率的重大影響,采用k-ε湍流模型和離散相模型對(duì)電除塵器內(nèi)部顆粒流動(dòng)進(jìn)行了多組工況的數(shù)值模擬。利用用戶自定義函數(shù)(UDF)編輯電場(chǎng)荷電方程并建立電場(chǎng)受力模型,簡(jiǎn)化了模擬流程,并優(yōu)化了模擬數(shù)據(jù)。

通過(guò)流場(chǎng)與電場(chǎng)的耦合計(jì)算,研究并分析了不同進(jìn)出口風(fēng)速對(duì)、顆粒直徑以及電壓等因素對(duì)除塵效率的影響。結(jié)果表明:電壓和粒徑恒定時(shí),隨著進(jìn)口風(fēng)速增加,顆粒滯留時(shí)間減少,荷電量不足,顆粒偏移運(yùn)動(dòng)越加不明顯,除塵效率降低。當(dāng)電壓和進(jìn)口風(fēng)速恒定時(shí),由于粒徑的平方與顆粒荷電量成正比,所以粒徑越大,顆粒荷電量越大,除塵效率變化越高。

在進(jìn)口風(fēng)速與粒徑恒定時(shí),荷電量與電暈電壓成正比,電壓越大,荷電量越大顆粒受電場(chǎng)力而向收塵壁運(yùn)動(dòng)越明顯,從而收塵除塵效率明顯增加。

關(guān)鍵詞:除塵效率;顆粒;風(fēng)速;電壓;偏移

近些年來(lái),全球范圍內(nèi)的霧霾現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重,它對(duì)社會(huì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和人們?nèi)粘Ｉ钜约敖】档戎T多方面有著極其不利的影響。究其來(lái)源主要是大型工廠煙氣、灰塵中的細(xì)顆粒。國(guó)內(nèi)外研究員們對(duì)于如何提高大型工廠中電除塵器除塵效率的課題已經(jīng)有了比較深入的研究和認(rèn)識(shí)。

龍正偉[1]針對(duì)靜電除塵器的模擬建立了三維物理模型,更好的分析電除塵器內(nèi)部流場(chǎng)分布以及顆粒電荷特性與除塵效率的關(guān)系;朱繼保[2]研究了在如何控制二次揚(yáng)塵、優(yōu)化電源、復(fù)合除塵技術(shù)等方面因素來(lái)提升除塵效率;Talaie等[3]人提出了一種能夠計(jì)算出電暈極板的半徑增加率和電暈邊緣的離子密度電場(chǎng)計(jì)算模型,同時(shí)還指出了Choi[4]計(jì)算網(wǎng)格太細(xì),沒(méi)有基于基本的物理事實(shí)等不足之處。Ivancsya[5]研究了靜電除塵器內(nèi)多種分散塵粒的特性,采用了多相顆粒的模型,并與單種顆粒的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。

本文利用GAMBIT建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后將模型導(dǎo)入FLUENT,針對(duì)風(fēng)速、顆粒直徑、電壓等因素進(jìn)行了多組工況的數(shù)值模擬。其中,氣相流場(chǎng)采用了k-ε湍流模型,顆粒相采用DPM模型。利用UDF編輯電場(chǎng)荷電方程,并建立了電場(chǎng)受力模型。UDF編輯成的電場(chǎng)受力模型不僅便捷了模擬流程,而且優(yōu)化了模擬數(shù)據(jù)。針對(duì)電場(chǎng)與流場(chǎng)的耦合計(jì)算結(jié)果,對(duì)比分析三種進(jìn)氣口風(fēng)速,三種顆粒粒徑以及三種電壓下研究顆粒流動(dòng)變化規(guī)律,以及這些規(guī)律對(duì)除塵效率的影響。

1數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬方法

1.1流場(chǎng)模型

在電除塵器中,除塵是一個(gè)氣固兩相流動(dòng)并相互作用的過(guò)程,氣體的流動(dòng)帶著懸浮著的顆粒運(yùn)動(dòng)。

湍流流動(dòng)可以通過(guò)氣體質(zhì)量守恒方程和氣體動(dòng)量守恒方程來(lái)求解。

氣體質(zhì)量守恒方程:

1.2電場(chǎng)模型

電除塵器中顆粒荷電方式一般有兩種,一種是擴(kuò)散荷電(主要針對(duì)小于1μm的顆粒);另一種是電場(chǎng)荷電(主要作用于大于1μm的顆粒)。本次主要模擬顆粒粒徑為1μm,5μm,10μm這3種工況。為了簡(jiǎn)化模擬過(guò)程,忽略顆粒擴(kuò)散荷電的影響。

由于所選擇的物理模型中沒(méi)有電場(chǎng)力這個(gè)物理量,所以建立電場(chǎng)受力模型一般有兩種方法。一種是利用FLUENT中隱藏模型中的磁流體模型(MHD)建立電場(chǎng)模型,另一種是UDF編輯電場(chǎng)模型。

第一種方法使用復(fù)雜,只能模擬簡(jiǎn)單低壓勻電場(chǎng),不能體現(xiàn)顆粒受電場(chǎng)力的具體變化,局限性較大;第二種UDF編輯的方法是將作用到顆粒上的電場(chǎng)力以電場(chǎng)荷電方程的形式呈現(xiàn),不僅能調(diào)節(jié)顆粒在空間電荷區(qū)內(nèi)部的所受電場(chǎng)力大小,不再有電壓大小的限制,而且還能體現(xiàn)出不同電場(chǎng)荷電方程中顆粒荷電受力情況。這也使得模擬結(jié)果更加接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),符合事實(shí)。

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