鄭建祥，王京陽，許 帥

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

聚并器內(nèi)顆粒聚團(tuán)數(shù)值模擬

鄭建祥，王京陽，許 帥

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

湍流聚并技術(shù)能使小顆粒長大成大顆粒從而提高傳統(tǒng)除塵器對超細(xì)顆粒的捕捉效率來減少超細(xì)顆粒的排放量。用歐拉雙流體模型耦合力平衡模型(通過用戶自定義函數(shù)(UDF)引入)對聚并器進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬了聚并器內(nèi)聚團(tuán)的長大；計(jì)算了聚并器出口不同位置處的固相體積分?jǐn)?shù)、聚團(tuán)尺寸以及聚團(tuán)尺寸與速度之間的關(guān)系。模擬結(jié)果顯示：渦片有助于聚團(tuán)的形成；形成聚團(tuán)后固相總的體積分?jǐn)?shù)減小，尺寸較大的聚團(tuán)對應(yīng)的速度較小。

超細(xì)顆粒；力平衡模型；雙流體模型；湍流聚并

可吸入顆粒尤其是超細(xì)顆粒易逃逸到大氣中對人們的生產(chǎn)生活以及身體健康造成危害，所以對其捕捉是除塵技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)。湍流聚并技術(shù)一方面能使小顆粒團(tuán)聚成大顆粒從而提高對超細(xì)顆粒的捕捉效率；另一方面具有操作簡單，投資、運(yùn)行成本低，較易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)。所以，越來越受到學(xué)者的重視和青睞。

我國對湍流團(tuán)聚的研究主要集中在產(chǎn)渦結(jié)構(gòu)的開發(fā)以及顆粒聚團(tuán)數(shù)值模擬方面。鑒別小顆粒是否發(fā)生團(tuán)聚長大成大顆粒主要有兩種方法：(1)數(shù)值模擬(或?qū)嶒?yàn))前后不同粒徑顆粒數(shù)是否發(fā)生變化。劉忠等[1]采用雙流體模型和顆粒群平衡模型(PBM)進(jìn)行耦合計(jì)算，結(jié)果顯示小顆粒數(shù)目減少，大顆粒數(shù)目增多；陳亞偉等[2]采用離散方法結(jié)合O’Rouekr碰撞運(yùn)算法則模擬顆粒的碰撞與凝并過程，得出相同的結(jié)果；陳冬林等[3]通過實(shí)驗(yàn)研究，得出在聚并器中，超細(xì)顆粒粘附在較大的顆粒上形成了新的大顆粒，使超細(xì)顆粒數(shù)量減少，大顆粒數(shù)量增加。(2)直接計(jì)算聚團(tuán)直徑，其計(jì)算方法主要有力平衡法和能量平衡法。周濤等[4-5]提出了力平衡模型并用其計(jì)算了幾種顆粒所形成聚團(tuán)的大小；鄭建祥等[6-7]采用雙流體方法結(jié)合力平衡模型計(jì)算了聚團(tuán)當(dāng)量直徑；鄒正等[8]采用同樣的方法計(jì)算了聚團(tuán)當(dāng)量直徑。

因?yàn)榱ζ胶饽Ｐ湍軓暮暧^角度體現(xiàn)每一個(gè)網(wǎng)格中聚團(tuán)當(dāng)量直徑的變化過程，所以本文通過用戶自定義函數(shù)(UDF)將其讀入FLUENT中同Euler雙流體模型進(jìn)行耦合計(jì)算對聚并器進(jìn)行數(shù)值模擬，為以后的實(shí)驗(yàn)研究提供有益的嘗試。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

本文運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算，采用雙流體模型計(jì)算氣相和顆粒相的運(yùn)動(dòng)情況，通過用戶自定義函數(shù)(UDF)引入力平衡模型計(jì)算顆粒聚并形成的聚團(tuán)尺寸。采用力平衡模型計(jì)算聚團(tuán)尺寸：假定聚團(tuán)為球形、不考慮壁面的影響、忽略靜電力和液橋力的作用；超細(xì)顆粒在團(tuán)聚成聚團(tuán)的過程中受自身的表觀重力(Fg)、兩碰撞聚團(tuán)之間的粘性力(范德華力)(FV)、碰撞作用力(FC)及曳力(Fd)四個(gè)力的影響。

1.1 聚團(tuán)受力分析

表觀重力(Fg)、兩碰撞聚團(tuán)之間的粘性力(范德華力)(FV)、碰撞作用力(FC)及曳力(Fd)的表達(dá)式如下所示：

(1)表觀重力

(1)

式中：ρa(bǔ)為聚團(tuán)平均密度，2 100 kg/m3；ρg為流體密度，1.225 kg/m3；da為聚團(tuán)平均直徑，m；g為重力加速度，9.81 m/s2。

(2)范德華力

(2)

式中：H為Hamaker常數(shù)，1.09×10-19J；δ為顆?；蚓蹐F(tuán)間間距，一般取4×10-10m。

(3)碰撞作用力

(3)

式中：V為聚團(tuán)相對速度，m/s；k為泊松比與彈性模量的函數(shù)，一般取3.0×10-6Pa-1。

(4)曳力

(4)

式中：u為流體入口速度，m/s；εg為氣相體積分?jǐn)?shù)。

(5)力平衡模型

根據(jù)周濤[5]等的力平衡模型：

Fd+FC=Fg+FV，

(5)

將公式(1)-公式(4)代入公式(5)式得：

(6)

通過用戶自定義函數(shù)(UDF)將(公式6)導(dǎo)入FLUENT中，與歐拉雙流體模型進(jìn)行耦合計(jì)算。

1.2 計(jì)算方法

本文運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算，采用雙流體模型計(jì)算氣相和顆粒相的運(yùn)動(dòng)情況，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，壓力-速度耦合采取SIMPIE算法，壓力-連續(xù)方程、湍動(dòng)能和湍流耗散率均取一階迎風(fēng)格式，動(dòng)量采取有界中心差分格式，非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)采取有界二階隱式格式實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)二維氣固兩相流的求解，采用用戶自定義函數(shù)(UDF)引入力平衡模型同雙流體模型進(jìn)行耦合求解。

2 物理模型及邊界條件

由于整個(gè)聚并器比較龐大，采用均勻間隔的多通道布置方式，在 Z 方向(垂直于紙面方向)上沒有結(jié)構(gòu)的變化，可以將模型簡化為長為(750 mm，寬為100 mm)二維圖形進(jìn)行模擬，模型如圖1所示。

入口邊界條件采用速度入口，氣相和固相流速相同；出口邊界條件采用壓力出口；其它邊界條件采用壁面邊界條件。

圖1 聚并器結(jié)構(gòu)簡圖 圖2 聚團(tuán)直徑云圖

3 模擬結(jié)果及討論

初始飛灰粒徑5 μm，體積分?jǐn)?shù)為0.007，入口速度10 m/s時(shí)，計(jì)算得出的聚并器內(nèi)0.03 s、0.06 s和0.09 s時(shí)聚團(tuán)直徑(單位為mm)云圖，如圖2所示。由圖2可知，聚并器中的固相顆粒明顯發(fā)生了團(tuán)聚而形成尺寸較大的聚團(tuán)，且渦片后面發(fā)生顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象尤為明顯，這說明渦片通過影響流場促進(jìn)了顆粒的團(tuán)聚效果。

圖3 不同時(shí)刻不同出口位置的固相體積分?jǐn)?shù) 圖4 出口位置處聚團(tuán)直徑與速度關(guān)系

圖3為用力平衡模型同歐拉雙流體模型耦合計(jì)算得出的聚并器出口不同時(shí)刻、不同位置處的固相體積分?jǐn)?shù)。由圖可知渦片背部的固相體積分?jǐn)?shù)整體呈減小的趨勢，這是因?yàn)檩^小的顆粒碰撞團(tuán)聚成大顆粒時(shí)發(fā)生形變而導(dǎo)致總的固相體積減小。圖線上波峰的存在是由于在壁面和渦片處，發(fā)生了固體顆粒的沉積而使體積分?jǐn)?shù)增大形成的[9-10]。

聚并器出口位置處的聚團(tuán)尺寸與其速度關(guān)系圖，如圖4所示。在圖中可以明顯看出，聚團(tuán)直徑最大時(shí)聚團(tuán)速度最小，即聚團(tuán)尺寸與其速度成負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)樵诰蹐F(tuán)的形成過程中其所受粘性力和碰撞力處于同一數(shù)量級且所占比重最大，表觀重力其次，曳力最小[8]，速度較小時(shí)，聚團(tuán)相對速度就較小，其碰撞作用力也較小，發(fā)生的形變較小，最終碰撞形成的聚團(tuán)直徑尺寸較大。

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用FLUENT商業(yè)軟件中的歐拉雙流體模型，同力平衡模型(通過用戶自定義函數(shù)(UDF)引入)進(jìn)行了耦合計(jì)算。從中可以得出以下結(jié)論：

(1)歐拉雙流體模型和力平衡模型進(jìn)行耦合計(jì)算可以模擬固體顆粒的團(tuán)聚；

(2)渦片可以促進(jìn)顆粒的團(tuán)聚；

(3)顆粒速度較小時(shí)，碰撞發(fā)生的形變較小，最后形成的聚團(tuán)尺寸較大，但固相總的體積分?jǐn)?shù)減小。

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Numerical Simulation of Particles Agglomerate in Turbulent Aggregation Device

Zheng Jianxiang，Wang Jingyang，Xu Shuai

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

Turbulence coalescence technology enables small particles grow larger particles to improve the capture efficiency of ultrafine particles to reduce emissions for conventional filter.Numerical simulation of turbulent aggregation device is based on Euler two-fluid model coupling with force balance model (self-defined functions (UDF) introduced by the user).Using this method simulates particles growing in turbulent aggregation device.And calculates the solid volume fraction，agglomerate size，the relationship of agglomerate size with speed.Simulation results show that：vortex sheet contributes to the formation of agglomerates.The total solid phase fraction decreases after Agglomerates formed.And the larger agglomerates，the smaller speed.

Ultrafine particles；Force balance model；Two-fluid model；Turbulence coalescence

2017-03-12

吉林省科技發(fā)展項(xiàng)目(201101109)；吉林市科技發(fā)展項(xiàng)目(20156405)；吉林省教育 廳“十三五”科研項(xiàng)目(吉教科合字[2016]第81號)

鄭建祥(1977-)，男，博士，副教授，主要研究方向：氣固兩相流動(dòng)特性研究.

1005-2992(2017)04-0052-04

X701.2

A

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