劉丹丹,溫海蔚,趙文帝

(黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

近年來,隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,各項(xiàng)粉塵數(shù)據(jù)的測(cè)量顯得越來越重要。各類發(fā)電廠響應(yīng)國家“節(jié)能減排”戰(zhàn)略,對(duì)排放的流量有進(jìn)行測(cè)量的硬性要求。因此,及時(shí)對(duì)粉塵濃度及流量進(jìn)行檢測(cè)具有重要意義。

現(xiàn)階段,常規(guī)粉塵檢測(cè)操作對(duì)于環(huán)境影響較大,會(huì)出現(xiàn)測(cè)量偏差和頻繁操作等問題[1]。在國內(nèi),很多學(xué)者通過摩擦起電的原理對(duì)粉塵進(jìn)行了研究。趙恩彪等[2-3]研究了利用電荷感應(yīng)法測(cè)量粉塵密度的原理,并采用試驗(yàn)系統(tǒng)的方法研究了不同粉塵粒徑下產(chǎn)生電荷之間的線性關(guān)系。陳建閣等[4]研究了粉塵質(zhì)量流量的測(cè)量方法,得出環(huán)狀探頭適用于測(cè)量勻速且均勻分布顆粒體的結(jié)論。許傳龍等[5]對(duì)環(huán)狀探頭的空間靈敏度進(jìn)行了氣固兩相流分析,并分析了各種探頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)該方法測(cè)量結(jié)果的影響。但是,粉塵帶電量十分有限,使得探頭感應(yīng)量也很微弱。

本文為減少粉塵密度測(cè)量誤差、提高粉塵濃度的測(cè)量精度,對(duì)現(xiàn)有粉塵檢測(cè)管道的設(shè)計(jì)進(jìn)行改造[6]。最終通過試驗(yàn)進(jìn)行氣固兩相流仿真試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)驗(yàn)證檢驗(yàn)。該研究對(duì)粉塵檢測(cè)裝置的測(cè)量靈敏度研究有一定的意義。

1 現(xiàn)有傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

當(dāng)前,常用來測(cè)量和研究的粉塵靜電傳感器[7]可以分為三種類型:環(huán)狀傳感器、針狀傳感器和棒狀傳感器。棒狀傳感器屬于對(duì)粉塵直接接觸式的測(cè)量傳感器,適合在大口徑管道中測(cè)量粉塵數(shù)據(jù),其優(yōu)點(diǎn)為易于安裝[8]。針狀傳感器和環(huán)狀傳感器特點(diǎn)相似,都屬于非接觸式靜電傳感器,采用鑲嵌式安裝,對(duì)于大口徑管道安裝成本較高、靈敏度高。本文研究對(duì)象為三種傳感器中的環(huán)狀傳感器。

裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of device

接觸帶電過程如圖2 所示。

圖2 接觸帶電過程示意圖Fig.2 Contact charge process

同時(shí),對(duì)于環(huán)形靜電傳感器而言,靜電傳感器能夠根據(jù)測(cè)量所得信息得到流動(dòng)平均速度。粉體的懸浮性使得粉體顆粒物與大地總是絕緣的,因此,每個(gè)顆粒都有可能帶電[9]。普通顆粒物接觸并產(chǎn)生電荷的過程為:固體的接觸、分離和摩擦效果。本文著重對(duì)第一種起電方式進(jìn)行研究。

需要研究的電荷Q與理論上接觸裝置的電荷Q0之間滿足如下關(guān)系:

式中:f為逸散系數(shù),取值范圍是0

2 靜電傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理和優(yōu)勢(shì)分析

對(duì)現(xiàn)有靜電傳感器測(cè)量粉塵的不精確問題,提出利用文丘里效應(yīng)與渦流發(fā)生器相結(jié)合的方法,對(duì)現(xiàn)有傳感器的直管管道進(jìn)行改進(jìn)。

渦流發(fā)生器[10-11](vortex generator)于1947 年被美國聯(lián)合飛機(jī)公司的 Banes 和Taver 提出。渦流發(fā)生器是垂直安裝在機(jī)翼表面的、具有小展弦比特性的物體[12]。這使得處于逆壓梯度中的邊界層流場(chǎng)能量增加,從而使得氣流能繼續(xù)貼附在物體面上而不產(chǎn)生氣流分離。這也恰好符合本管道流體吸附于管道面便于測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。

渦流發(fā)生器廣泛應(yīng)用于流體研究各個(gè)領(lǐng)域的原因有很多,主要有幾何形態(tài)簡(jiǎn)單流場(chǎng)中沒有歷史遺留旋渦,便于試驗(yàn)的研究觀察;而且所在的流場(chǎng)中也會(huì)包含豐富的分離及渦運(yùn)動(dòng)形態(tài),使得此發(fā)生器對(duì)基礎(chǔ)研究有重要作用。對(duì)安裝渦流發(fā)生器的模型作流體觀察,可以看到其誘導(dǎo)超過邊界層以外的高能氣流貼近表面,從而可替代內(nèi)層原本的低能氣流。臨近渦流發(fā)生器表面的氣流會(huì)因?yàn)闇u流發(fā)生器的作用提高內(nèi)在能量,同時(shí)邊界層的氣流因能量變化使得整體流速得到提升,可抑制表面層便捷分離[13]。以上機(jī)理表明:加裝渦流發(fā)生器的模型表面,流速增加、推遲或抑制了邊界層分離。本文利用近幾年這方面的研究成果,對(duì)文丘里管道[14-15]進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 幾何模型的建立

本研究在Pro Engineer 中建立3D 立體模型。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),設(shè)置管道結(jié)構(gòu)。管道中收縮段和擴(kuò)散段管徑為6 cm、長(zhǎng)度為4 cm;喉道段管徑為4 cm、長(zhǎng)度為8 cm。渦流發(fā)生器在喉道段處,共設(shè)置3 個(gè)。根據(jù)氣流穩(wěn)定度以及對(duì)增速的要求,每個(gè)渦流發(fā)生器水平相距120°。出口和入口管口直徑為16 cm。改進(jìn)的管道結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)的管道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Improved pipeline structure

本設(shè)計(jì)的目的在于增加管道中央煙塵的氣體流速并精確測(cè)量值。所以在管道中央設(shè)置的收縮口起到了壓縮空氣的作用,更易于匯聚壓力。管道中的渦流發(fā)生器采用三角結(jié)構(gòu),三組器件在管道同截面設(shè)置間隔120°固定,對(duì)環(huán)狀傳感器的電荷量檢測(cè)更加精確。三角翼形渦流發(fā)生器和文丘里管道的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、效果顯著。當(dāng)氣體經(jīng)過管道中央時(shí),會(huì)在尾翼形成渦流,使得煙塵在氣體旋渦的作用下更貼近于管壁運(yùn)動(dòng)。此優(yōu)化對(duì)于氣流的加速起到了更直接的作用。具體仿真操作如下:進(jìn) 入ANSYS19.0 進(jìn)行設(shè)置,選 擇其中的Workbench 程序,構(gòu)建3D 模型;提取流體并封閉左右管口,設(shè)置流體模式并禁用固體模式;進(jìn)入網(wǎng)格模塊,設(shè)置進(jìn)口在左、出口在右,選擇類型為默認(rèn)類型。設(shè)置管壁:網(wǎng)格步長(zhǎng)為2 mm、溫度取自然溫度300 K。

該設(shè)計(jì)使用Fluent19.0 對(duì)仿真條件進(jìn)行設(shè)置。假設(shè)此管中的流動(dòng)形態(tài)為穩(wěn)態(tài),采用Eulerian 模型計(jì)算相關(guān)數(shù)值并開啟能量方程。顆粒設(shè)置:導(dǎo)熱系數(shù)為0.3 W;密度為2 600 kg/m3;粘度為1.8e-05 Pa.s;比熱容為1 200,單位的設(shè)置基于軟件尺寸的選擇;溫度取自然溫度295.10 K。相態(tài)中:主相為空氣,副相為顆粒,粉塵顆粒受到曳力作用?？諝獾娜肟谒俣仍O(shè)為4 m/s。設(shè)置中,以粉塵不受到空間曳力的作用為佳,粉塵速度設(shè)為3 m/s,管壁內(nèi)選擇對(duì)流,自然對(duì)流系數(shù)取6,顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.012。在迭代計(jì)算時(shí),動(dòng)態(tài)顯示計(jì)算殘差,對(duì)應(yīng)的精度均為0.001,管道進(jìn)口的水力直徑Volume Fraction 為0.15,設(shè)置迭代次數(shù)為6 000 次。

3 仿真結(jié)果及對(duì)比分析

3.1 仿真圖的分析

在設(shè)置上述模型的相關(guān)參數(shù)前提下,將粉塵顆粒直徑設(shè)為1 μm、3 μm、5 μm、7 μm、10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm,并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。在XOY面(Z-Coordinate)得到管道內(nèi)流體的粉塵顆粒與空氣混合的速度云圖,并在ZOY面(X-Coordinate)得到管道側(cè)面粉塵流通的速度云圖。

通過仿真反饋的速度云圖可以看出,管道內(nèi)顆粒物在渦流發(fā)生器的作用下產(chǎn)生旋渦,并有效增大顆粒物流速。接下來,對(duì)比文丘里管道和三角渦流發(fā)生器的管道顆粒物運(yùn)動(dòng)情況,以7 μm 粒徑大小作為測(cè)量結(jié)果進(jìn)行觀察。

7 μm 粒徑速度云圖如圖4 所示。

圖4 7 μm 粒徑速度云圖Fig.4 Velocity nephogram of the 7 μm particle diameter

3.2 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

通過讀取改進(jìn)管道試驗(yàn)仿真的速度云圖,測(cè)得管道中間段的速度值,并且與項(xiàng)目組中研究的文丘里管道測(cè)得的速度值進(jìn)行對(duì)比?；诖?可得到不同粒徑下粉塵通過改進(jìn)管道、文丘里管道、普通管道的顆粒速度對(duì)比結(jié)果。

不同粒徑下的粉塵顆粒速度如表1 所示。

表1 不同粒徑下的粉塵顆粒速度Tab.1 Dust particle velocity under dfifferent particle sizes

如表1 所示,在不同粒徑下,改進(jìn)管道相比另外2種管道而言,測(cè)得的速度值更高、效果更顯著、在顆粒較小的情況下測(cè)得的速度值相對(duì)明顯。

由表1 可知,改進(jìn)管道的速度值明顯高于直管。由于管道中渦流發(fā)生器的原因,混合氣體通過管道時(shí),會(huì)在尾翼處產(chǎn)生空氣旋渦,更易使顆粒物充分接觸環(huán)狀電荷感應(yīng)傳感器。利用MATLAB 計(jì)算,由電荷量歸一化可看出,改進(jìn)管道整體感應(yīng)電荷量提高20%,顆粒物在10 μm 以下時(shí)感應(yīng)電荷量提高約30%。對(duì)速度和感應(yīng)電荷量的綜合分析,有助于測(cè)量的精準(zhǔn)。

電荷量歸一化結(jié)果如圖5 所示。

圖5 電荷量歸一化結(jié)果Fig.5 Charge normalization results

對(duì)管道的電荷量采集進(jìn)行理論認(rèn)證。在改進(jìn)管道前后進(jìn)行模型的電荷量觀察。將點(diǎn)電荷與極板中軸線的距離定義為x,取x為1,2,...,7,并對(duì)電荷量進(jìn)行分析。

裝置改進(jìn)前后,x對(duì)荷電的影響如表2 所示。

表2 x 對(duì)荷電的影響Tab.2 x effect on the charge

綜合表2 數(shù)據(jù),繪制函數(shù)折線圖。改進(jìn)前后感應(yīng)電荷對(duì)比如圖6 所示。

圖6 改進(jìn)前后感應(yīng)電荷對(duì)比Fig.6 Comparison of induction charge before and after improvement

由圖6 可知,改進(jìn)管道的電荷量更大,即粉塵濃度檢查對(duì)于此管道的檢測(cè)效果更佳。

4 環(huán)形靜電傳感器

4.1 數(shù)學(xué)模型和感應(yīng)電荷計(jì)算式

靜電傳感器數(shù)學(xué)模型如圖7 所示。

圖7 靜電傳感器數(shù)學(xué)模型Fig.7 Static sensor mathematical model

目前來說,英國Kent 大學(xué)Yan Yong 教授[16-17]在應(yīng)用靜電感應(yīng)原理研究顆粒流動(dòng)參數(shù)方面處于領(lǐng)先地位,并做出了一定成績(jī)。在點(diǎn)電荷研究的基礎(chǔ)上,通過感應(yīng)電荷的數(shù)學(xué)模型計(jì)算環(huán)狀傳感器所得電量。

式(2)、式(3)為環(huán)狀傳感器電荷量計(jì)算公式。

式中:z為顆粒速度v與時(shí)間的乘積;w為極板寬度;q為以一定速度通過極板的點(diǎn)電荷;D為環(huán)形極板的直徑;Q為極板上的感應(yīng)電荷量;x為感應(yīng)電荷與極板中軸線的距離。

利用MATLAB2019a 軟件生成數(shù)學(xué)模型,導(dǎo)入各粒徑顆粒物通過管道的速度值,計(jì)算得到感應(yīng)電荷量。根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算,得到文丘里管道和改進(jìn)管道的感應(yīng)電荷量值;通過數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,證明研究可行性。

4.2 感應(yīng)電荷量對(duì)比分析

根據(jù)環(huán)形靜電傳感器的感應(yīng)電荷量計(jì)算公式和表1 數(shù)據(jù),利用MATLAB2019a 進(jìn)行計(jì)算,得到改進(jìn)管道的感應(yīng)電荷量,并與項(xiàng)目組研究的文丘里管道的感應(yīng)電荷量進(jìn)行對(duì)比[18]。其粒徑不同時(shí)所帶感應(yīng)電荷量的增加率如圖8 所示。

圖8 感應(yīng)電荷量的增加率Fig.8 Induction charge increase rate

通過對(duì)比圖6、圖8 可知,改進(jìn)管道相對(duì)于文丘里管道而言,感應(yīng)電荷量有了明顯的提升。尤其在1～20 μm 的粒徑下,改進(jìn)管道測(cè)量效果更加明顯。

5 結(jié)論

利用現(xiàn)有的靜電感應(yīng)式粉塵濃度傳感器的工作原理,研究分析儀器在低濃度環(huán)境下的測(cè)量精確性問題,并結(jié)合影響靜電感應(yīng)信號(hào)的因素,使用文丘里管道和渦流發(fā)生器相結(jié)合的方法對(duì)粉塵濃度進(jìn)行測(cè)量。在10 μm 以下的小粒徑當(dāng)中,顆粒物速度提升約24%。以7 μm 粒徑為例,粉塵在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度從7.55 m/s 提升至10.41 m/s,使測(cè)量精度和測(cè)量水平穩(wěn)定提高。

利用PROE 5.0 軟件構(gòu)建3D 模型,導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真。根據(jù)仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)對(duì)比分析,改進(jìn)的測(cè)量管道與項(xiàng)目組研究的文丘里管道相比,其測(cè)量精度得到提高。利用MATLAB,通過電感應(yīng)計(jì)算式計(jì)算感應(yīng)電荷量,可得:感應(yīng)電荷量與文丘里管道相比,能使小粒徑粉塵的電荷量平均提高23.75%,整體感應(yīng)電荷量提高,更有利于傳感器接收到顆粒物靜電信號(hào)。

最后,在測(cè)量粉塵數(shù)據(jù)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不同種類的誤差。由于電荷感應(yīng)測(cè)量方法也有影響因素需要及時(shí)標(biāo)定,后續(xù)會(huì)研究對(duì)其進(jìn)行因素補(bǔ)償。