沈志昂，劉含笑，酈建國

(浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司，浙江諸暨311800)

電除塵器內(nèi)MHD數(shù)值理論研究及模擬計算分析

沈志昂，劉含笑，酈建國

(浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司，浙江諸暨311800)

磁流體力學(xué)偏微分方程組(MHD)描述了導(dǎo)電流體在電磁場中運(yùn)動狀態(tài)，借助CFD軟件，應(yīng)用MHD模型計算分析放電極電位分布及顆粒運(yùn)動軌跡特性，結(jié)果表明:空間電荷效應(yīng)對電位分布有明顯的加強(qiáng)作用;粒徑越大，顆粒荷電量越多，受空間電場力作用越明顯;湍流對顆粒運(yùn)動軌跡影響不容忽視。

MHD;數(shù)值模擬;電位分布;顆粒軌跡

0 引言

隨著大氣環(huán)境污染形勢日益嚴(yán)峻，新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)已執(zhí)行，其中重點(diǎn)控制地區(qū)，煙塵排放限值為20mg/m3，且江蘇省、浙江省、山西省、廣州市等地已出臺相關(guān)政策，要求燃煤電廠參考燃?xì)廨啓C(jī)組污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值。國家發(fā)改委、環(huán)保部和國家能源局三部委聯(lián)合于2014年9月頒發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014－2020年)》，要求東部地區(qū)新建燃煤機(jī)組排放基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組污染物排放限值，對中部和西部地區(qū)也提出了要求［1］。

我國燃煤電廠現(xiàn)有煙氣除塵技術(shù)中，電除塵技術(shù)長期占據(jù)著主流地位，隨著排放要求的日益趨嚴(yán)，對電除塵器的除塵效率要求也越來越高，其中，前期的工程模擬計算為電除塵器進(jìn)一步優(yōu)化流場、電場提供了重要的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。磁流體力學(xué)偏微分方程組(MHD)可以計算導(dǎo)電流體在電磁場中的運(yùn)動狀態(tài)，正確認(rèn)識電除塵器內(nèi)，尤其是放電極到收塵極區(qū)域的電場分布和荷電煙塵顆粒的運(yùn)動特性，對于除塵設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義［2－5］。

本文借助商業(yè)CFD軟件，引入MHD計算模塊，簡化電除塵器內(nèi)放電單元的物理模型，模擬計算二維放電點(diǎn)電極的電場分布及煙塵顆粒運(yùn)動特性，旨在探討空間電荷效應(yīng)對電場分布的影響，以及湍流作用對煙塵顆粒運(yùn)動軌跡的影響。

1 數(shù)學(xué)模型

基于商業(yè)CFD軟件，探討MHD模型機(jī)理，求解用戶自定義標(biāo)量，即UDS(User Defined Scalar)，CFD軟件里統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的普通輸運(yùn)方程的積分形式為:

式中:等號右邊第一項為擴(kuò)散項，第二項為源項，左邊第一項非穩(wěn)態(tài)項，第二項對流項，其中Ф是描述普通輸運(yùn)數(shù)量變量，根據(jù)求解的輸運(yùn)方程不同，可取不同值，相對應(yīng)不同擴(kuò)散系數(shù)г。表1給出了上式對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型及MHD模型方程組。

MHD模塊解決了流體和電磁場相互作用的特殊接口，在MHD模塊中，導(dǎo)電流體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場求解采用UDS計算，調(diào)用輸運(yùn)方程，并把誘導(dǎo)電磁場分量作為UDS處理，并以宏定義形式，用普通輸運(yùn)方程求解。電磁場對流體本身的阻尼作用通過用戶自定義源相來處理［6－10］。

表1 控制方程組

處理顆粒問題，可以運(yùn)用離散相模型，該模型要求離散相體積分?jǐn)?shù)小于20%，即稀疏氣固兩相流?？梢酝ㄟ^對拉格朗日坐標(biāo)下顆粒作用力微分方程進(jìn)行積分來求解離散相顆粒的軌跡。離散相顆粒的作用力平衡方程為:

式中:F為流場力內(nèi)作用在顆粒上的加速度，在CFD軟件中可以用體積力的方式體現(xiàn)。作用在顆粒上的力有重力、熱泳力、布朗力、曳力、電場力等，這里只考慮影響最大的電場力和流體曳力作用。

2 物理模型及邊界條件

本文選取一簡化物理模型，研究放電極電場特性，模型如圖1所示，x方向長度0.4m，y寬度方向長度0.3m，內(nèi)部放點(diǎn)極用半徑5mm圓代替。網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，圓附近局部加密，總網(wǎng)格數(shù)量約25000個。入口邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件

圖1 模型結(jié)構(gòu)示意

3 計算結(jié)果及分析

通過模擬得到了不考慮空間電荷效應(yīng)和考慮空間電荷效應(yīng)兩種情況下的電位分布，電壓分別取30kV和50kV，結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖2可知，電場通道內(nèi)的高位場強(qiáng)區(qū)只是在放點(diǎn)極周圍很小一部分，其余大部分都處于低位電場區(qū)域。從圖3可知，由于空間存在荷電粉塵，粉塵遷移率小于離子遷移率，使得空間電荷密度增大，電場分布不均勻，使得整個電場區(qū)域的高位電場區(qū)擴(kuò)大，說明在數(shù)值計算中應(yīng)該考慮空間電荷效應(yīng)。

在50kV的電壓放電條件下，粒徑分別取1× 10－6m、1×10－5m、1×10－3m，計算結(jié)果如圖4所示。隨著顆粒粉塵粒徑的增大，粉塵向收塵極驅(qū)進(jìn)的程度明顯增強(qiáng)，主要是由于粉塵的荷電量與粉塵粒徑的平方成正比關(guān)系，大顆粒的荷電量比小顆粒多，因此受到電場力的加速作用也就越明顯。

圖2 電位分布(不考慮空間電荷效應(yīng))

圖3 電位分布(考慮空間電荷效應(yīng))

圖4 不考慮湍流作用時顆粒運(yùn)動軌跡

對于粒徑為1×10－5m的顆粒，當(dāng)考慮湍流脈動作用對顆粒運(yùn)動軌跡影響時，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)顆粒運(yùn)動軌跡變得雜亂無章，但總體趨勢還是向收塵極運(yùn)動，這是因為電場力和湍流流場曳力是處在同一數(shù)量級上的作用力［11］。在電除塵器實際運(yùn)行過程中，可能受到電風(fēng)及局部擾流作用的影響，整個流場區(qū)域是存在明顯湍流作用的，因此在實際計算過程中應(yīng)考慮湍流作用對顆粒運(yùn)動軌跡的影響。

4 結(jié)語

運(yùn)用商業(yè)CFD軟件對MHD模型進(jìn)行模擬分析，計算放電極電位分布及顆粒運(yùn)動軌跡特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空間電荷效應(yīng)對電位分布有加強(qiáng)作用;粒徑越大，顆粒荷電量越多，受空間電場力作用越明顯，越容易收集;湍流對顆粒運(yùn)動軌跡影響不容忽視。

［1］中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會電除塵委員會.超低排放進(jìn)一步促進(jìn)煤電綠色發(fā)展［N］.中國環(huán)境報，2015－01－15(10).

［2］趙秀艷.金屬射流的MHD特性分析［D］.泰安:山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

［3］V A Bityurin.High Efficient MHD Generator with Space and Time Dependent Current Carrying Nonuniformities［C］.10th Int Conf on MHD Electr Power Generation.India:1989.

［4］V A Bityurin.Status of Trilateral International Project o n MHD Power Generation with Plasma Non Uniformities－Gas Interacting Flows［C］.33rd SEAM.USA:1995.

［5］Jiang S，Ju Q C，Li F C.Incompressible limit o f the compressible magnetohydrodynamic equations with peridic boundary condtions［J］.Commun Math Phys，2010(297):371－400.

［6］張劍文.關(guān)于可壓縮MHD方程組的若干研究進(jìn)展［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011(2):175－186.

［7］方瑩.磁流體自由表面流動及傳熱特性的數(shù)值研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2007.

［8］Podlinski J，Niewulis A，Mizeraczyk J.Electrohydrodynamic flow and particle collection efficiency of a spike－plate type electrostatic precipitator［J］.Journal of Electrostatics，2009(67):99－104.

［9］Liu T P，Zeng Y.Large time behavior of solutions for general quasilinear hyperbolic parabolic system of conservation laws［J］.Mem A-mer Math Soc，1997(125):599.

［10］Hu X P，Wang D.Low Mach number limit of viscous compressible mag netohydrody namic flow［J］.SIAM J Math Anal，2009(41): 1272－1294.

［11］劉忠，劉含笑，馮新新，等.湍流聚并器流場和顆粒運(yùn)動軌跡模擬［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32(14):71－75.

Numerical theory research of MHD in the ESP and simulation calculation analysis

MHD describes the motion state of the conductive fluid in the electromagnetic.Used the CFD，the point potential distribution and particle trajectory characteristics was calculated with the method of MHD，which show that，space charge effect on potential distribution has obvious strengthening effect;the greater the particle size，the more power the particle charged，and the space electric field force is more obvious;turbulence of particle trajectory impact should not be overlooked.

MHD;simulation;potential distribution;particle trajectory

X701.2

B

:1674－8069(2015)04－021－03

2015-02-07;

2015-05-22

沈志昂(1963-)，男，浙江諸暨，高級工程師，長期從事煙氣除塵設(shè)計及研究工作。E－mail:gutounan@163.com

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“燃煤電站PM2.5捕集增效優(yōu)化技術(shù)與裝備研制”(2013AA065002)