劉丹丹， 郝文亮， 湯春瑞， 景 然

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022)

測量口壁面粗糙度對PM2.5流動特性的影響

劉丹丹， 郝文亮， 湯春瑞， 景 然

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022)

針對光學粉塵測量儀長期使用時測量口粗糙度改變影響測量精度的問題，以流體力學的氣固兩相流理論為基礎，采用湍流模型和拉格朗日離散相模型分析不同粗糙度下測量口PM2.5的流動特性。結果表明：與光滑壁面PM2.5的速度相比，絕對當量粗糙度大于或小于2.5 μm時，測量口附近PM2.5的粒速均下降，且部分PM2.5粒子容易沉積或滯留在測量口壁面，影響測量精度。該研究可為相關監(jiān)測儀器的氣路設計提供必要的依據(jù)。

PM2.5； 絕對當量粗糙度； 測量口； 速度； 沉積

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大氣污染也已成為我國環(huán)境污染的第一大問題。大氣污染物主要為氣溶膠顆粒物，按其空氣動力學直徑把2.5 μm以下的顆粒物稱為PM2.5。PM2.5對人體危害極大[1-4]。因此，對PM2.5測量工作的研究尤為重要。 在線監(jiān)測的光學濃度測量儀，由于長期使用中，測塵樣氣中的固體顆粒與測量口內(nèi)壁面發(fā)生不規(guī)則碰撞，產(chǎn)生凹痕，連續(xù)的凹痕擠壓形成凸峰[5]。在循環(huán)往復過程中，凹痕的加深、凸峰的增高改變了測量口微表面的粗糙度。杜東興[6]認為相對粗糙度大于3%就會對流動產(chǎn)生不可忽略的影響。廣義的粗糙度是指管壁微表面的表現(xiàn)狀態(tài)，包括凸起高度、凸起形狀以及凸峰的分布密度等。絕對當量粗糙度是指管內(nèi)壁凸起高度的平均值[7]，因此，文中用絕對當量粗糙度來定量分析測量口粗糙度對PM2.5顆粒流動特性的影響。

1 數(shù)值計算模型

1.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

實驗采用新型的光學濃度測量儀[8]，其結構原理如圖1所示。

圖1 實驗裝置結構原理

利用Gambit對光學粉塵濃度測量儀進行幾何建模，管徑設置為0.03 m，為了更好地反映實驗效果，將測量裝置簡化處理為2D平面模型。對該結構模型進行網(wǎng)格劃分，因為光學測量裝置的主體結構是空心圓柱，所以采用Elements:Quad和Type:Map的網(wǎng)格劃分方式。每個網(wǎng)格的面積設定為1 mm2，整個裝置的幾何模型共10 500個網(wǎng)格。設定左邊為流場入口，右邊為流場出口，入口為速度入口，出口為壓力出口。流場簡化模型如圖2所示。

圖2 簡化流場模型

1.2 模擬參數(shù)

利用Fluent軟件對光學粉塵濃度測量儀進行模擬仿真，實驗采用歐拉模型對空氣和PM2.5兩相進行數(shù)值模擬，設定湍流模型為k-epsilon(2eqn)。第一相設置為空氣，第二相設置為粉塵，依次定義流體的物理屬性?？諝饷芏仍O為1.165 kg/m3。粉塵的物理屬性設定如下：密度2 700 kg/m3，比熱容1 200 J/(kg·K)，黏度為0.044 kg/(m·s)，導熱系數(shù)0.3 W/(m·K)，體積分數(shù)1%，顆粒的形狀系數(shù)為0.8，其他參數(shù)默認。模型的水力直徑為0.5，Volume松弛因子為0.5，Pressure和Momentum分別為0.3和0.7，其他默認。收斂精度設為0.001，設定邊界條件：設置入口為速度入口，出口為壓力出口，其他管壁默認為墻面。粉塵粒徑為2.5 μm，空氣入口速度為5 m/s，粉塵入口速度為4 m/s。粉塵通道模擬時設置Ra分別為0、100和0.25 μm，其他參數(shù)保持不變。測量口局部模擬設定粗糙壁面的粗糙元為矩形粗糙元[9]，其凸起高度大于2.5 μm，其他參數(shù)保持不變。

在拉式坐標系中，F(xiàn)luent利用顆粒間相互作用的微分方程來求解離散相粉塵的軌道，得到粉塵的作用力方程：

式中：v——空氣流速； vp——粒子速度； FD(v-vp)——單位質量粒子的拽引阻力； gi——流體微元上i方向的體力； ρp——顆粒密度； ρ——空氣密度； Fs——粒子附近流體引起的附加作用力。

2 模擬結果與分析

2.1 粉塵通道

圖3為不同壁面條件下測量口PM2.5粒子軌跡圖。由圖3a可見，當設置測量口壁面為水力光滑區(qū)，即Ra為0時，測得測量口近壁側的PM2.5速度為3.23 m/s。在相同的入口速度下，實驗中設置絕對當量粗糙度分別為PM2.5粒徑的10～100倍，得到測量口PM2.5的速度較為接近。當取Ra為100 μm，觀察測量口近壁側PM2.5的速度為1.08 m/s，小于光滑壁面時的速度(圖3b)。設置絕對當量粗糙度依次為PM2.5粒徑的1/10～1/100,得到PM2.5在測量口的速度較為相近。當取Ra為0.25 μm，由圖3c可見，此時速度為2.03 m/s，小于光滑壁面下測量口PM2.5的速度，略大于Ra>2.5 μm時測得的PM2.5速度。

a Ra=0 μm

b Ra=100 μm

c Ra=0.25 μm

Fig. 3 Picture of PM2.5trajectories beside wall of measurement port

因此，在其他參數(shù)設置完全一致時，F(xiàn)luent仿真發(fā)現(xiàn)粗糙度大于或小于2.5 μm情況下，PM2.5在測量口近壁側的速度都相對于光滑壁面時有所下降。光學濃度測量儀在長期使用中，PM2.5經(jīng)過測量窗口時都會面臨粗糙度影響帶來的速度流失，速度的下降致使部分PM2.5沉積于測量口，造成測量口的污染。

2.2 測量口局部

圖4為凸起高度100 μm時粗糙元間PM2.5的流動狀態(tài)，其他凸起高度(大于2.5 μm)下情況類似。

圖4 粗糙元間PM2.5的流動

Fig. 4 Enlarged picture of PM2.5flow in roughness element

由圖4可見,當氣固兩相流體流過粗糙的測量口壁面時，靠近壁面的部分PM2.5粒子流會滯留在相鄰粗糙元間做渦流運動，與主流流體的動量、能量交換很少，所以滯留的粒子很難再重新回到流場中。因此，絕對當量粗糙度大于PM2.5粒徑時對PM2.5的影響是:會使部分PM2.5粒子沉積在相鄰粗糙元形成的空穴內(nèi),也就是沉積在光學測量儀的測量口的粗糙壁面上。文中實驗模擬的結果與鄒江等[10]論述的結論一致。

3 結 論

(1)兩種粗糙度對測量口近壁側PM2.5的粒速都有不同程度的影響。與光滑測量口PM2.5的速度相比，粗糙度小于2.5 μm時PM2.5速度下降1 m/s左右，粗糙度大于2.5 μm時PM2.5的速度下降2 m/s左右。粗糙度大于2.5 μm時PM2.5的粒速受到的影響較大。

(2)測量口粗糙度的影響使得PM2.5在測量口處的速度下降，導致其沉積在測量口壁面，而當粗糙度大于2.5 μm時，部分PM2.5被截留在粗糙元間。無論是沉積在測量口壁面的PM2.5還是被截留的部分PM2.5，都會阻擋測量光路的通過，對測量產(chǎn)生影響。

[1] 張少紅，于少華. PM2.5的來源、危害及防治措施研究[J]. 環(huán)境科學與管理，2014，39(7)： 93-94.

[2] Wang Chengfu, Shi Xiaodong. Harm and trapping strategy research on tiny dusts PM2.5[J]. Applied Mechanics and Meterials, 2011, 88(8): 503-508.

[3] 林筱蘊，凌 暉，徐 璐，等. 淺談PM2.5來源、污染、危害和預防控制[J]. 廣州化工, 2016, 44(12): 148-149.

[4] 劉潔嶺，蔣文舉．PM2.5的研究現(xiàn)狀及防控對策[J]．廣州化工，2012，23(40): 22 -23．

[5] 王輝堯. 低速顆粒擾流圓管磨損的實驗研究[D]. 沈陽： 東北大學，2014: 50-59.

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[10] 鄒 江，彭曉峰，顏維謀. 壁面粗糙度對通道流動特性的影響[J]. 化工學報，2008，59(1): 25-30.

(編校 王 冬)

Influence of measurement port wall roughness on flow characteristic of PM2.5

LiuDandan,HaoWenliang,TangChunrui,JingRan

(School of Electrical & Control Engineering，Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is aimed at addressing the measurement precision resulting from the change in measurement port roughness triggered by the long-term use of optical dust meter. The study drawing on the hydrodynamics of gas-solid two-phase flow theory analyses the flow characteristic of PM2.5with the different roughness in measurement port using the turbulence model and discrete phase model of Lagrange. The results show that, compared with the velocity of PM2.5near the smooth wall, there is a decrease in the velocity of PM2.5particles near the measuring port if the absolute equivalent roughness is greater or smaller than 2.5 μm, and some of PM2.5particles are more likely to deposit or strand in the wall of measurement port, affecting the measuring accuracy. The study could provide a necessary basis for the design of the gas path of related monitor device.

PM2.5; absolute equivalent roughness; measurement port; velocity; deposition

2017-04-03

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12511477)

劉丹丹 (1978-)，女，吉林省扶余人，副教授，博士，研究方向：礦山安全監(jiān)測與控制，E-mail:liudandan2003@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.03.024

X51; O35

2095-7262(2017)03-0321-03

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