亚微米国家重点研发计划成果 | 西安交通大学谭厚章教授团队：亚微米颗粒物湍流团聚数值模拟研究

2021-12-27 05:01

摘要：亚微米颗粒物是大气污染物的重要来源之一，危害人体健康，湍流团聚是脱除燃煤烟气中亚微米颗粒的重要手段。利用k-ε湍流模型与离散相模型，在亚微米颗粒物湍流团聚试验平台基础上建立了一个由湍流效应和布朗运动共同作用的亚微米颗粒团聚过程的数值模型，根据试验数据对模型进行合理性验证，研究了湍流团聚器的进口流速、扰流件排布、扰流件形状对亚微米颗粒团聚特性的影响规律。结果表明：扰流件迎风面和扰流件的纵向尾迹区是碰撞和聚集的主要区域；小粒径亚微米颗粒物的团聚效率明显大于大粒径，从粒径593.5 nm处团聚效率开始变为负数；不同流速下，由于更小粒径颗粒物在涡流中跟随能力更强，PM0.1的团聚效率均大于PM1，湍流团聚器的进口流速不宜过大，以保证亚微米颗粒物所需要的停留时间。模拟所采用的三棱柱错排扰流件的最大团聚效率对应的流速为5 m/s；亚微米颗粒物在顺排、错排结构的团聚效率差别不大，但顺排和错排结构对亚微米颗粒物的作用机制有较大差别，顺排结构扰流件尾迹区的涡街得到充分发展，而错排结构包含更多迎风面，增大了颗粒物碰撞几率，更易受到侵蚀；此外，单个扰流件条件下，由于Y型扰流件的产涡能力更强，比圆柱型扰流件和三棱柱型扰流件具有更好的湍流团聚效果。

试验

图12 研究扰流件形状影响所用计算模型

采用Y型涡片作为扰流元件团聚效果最好，圆柱效果最差，主要原因是Y型元件产涡能力强，且圆柱对流场扰动能力弱，产生的湍流强度比较弱，使得湍流耗散率较低，导致颗粒碰撞几率降低。

图13 不同扰流元件下颗粒团聚前后粒径分布

Y型涡片对流场作用产生的湍流耗散率最强，提高了颗粒的碰撞几率，且Y型涡片前端还有导流作用，尾迹区产生的漩涡固定性好，携带小颗粒能力强。而三角形扰流柱也可扰动产生可观的涡流，但其迎风面积比Y型涡片小，因此团聚效率相对较小。

图14 3种形状扰流件的湍流耗散率场

结论

1）亚微米颗粒的团聚效率随颗粒粒径增大逐渐减小，粒径大于593.5 nm后团聚效率为负。团聚试验段的壁面效应以及亚微米颗粒的破碎等动力学行为不可忽视，相关机理模型有待进一步优化。

2）进口流速升高使得亚微米颗粒的团聚效率逐渐减小，虽然流速升高会使湍流耗散率升高，但同时颗粒在团聚段的停留时间变短，导致各组分颗粒浓度降低严重影响颗粒团聚效果，且流速过大会导致进出口压降过大，影响颗粒团聚及烟气排放。

3）3种扰流元件对亚微米颗粒物团聚效率从高到低分别是Y型涡片、三棱柱、圆柱。顺排和错排2种排布的团聚效率相差很小，顺排PM11团聚效率为20.1%，但其流场分布以及增强亚微米颗粒团聚的机理完全不同。在工业应用中应考虑材料磨损和颗粒沉积对运行的影响。

引用格式

冯鹏,盛虎,周虎,等.亚微米颗粒物湍流团聚数值模拟研究.洁净煤技术,2020,26:181-187.

FENG Peng,SHENG Hu,ZHOU Hu，et al.Numerical simulation on the characteristics of submicron particle turbulence agglomeration.Clean Coal Technology,2020,26:181-187.

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