静电分离器中电流体流场可视化研究

孔祥领，朱宏武，MOHAMED Alshehhi，AFSHIN Goharzadeh，丁 矿

（1.中国石油大学机械与储运工程学院，北京 102249;2.阿联酋石油学院机电学院，阿布扎比P.O.Box 2533）

静电分离器中电流体流场可视化研究

孔祥领1，2，朱宏武1，MOHAMED Alshehhi2，AFSHIN Goharzadeh2，丁 矿1

（1.中国石油大学机械与储运工程学院，北京 102249;2.阿联酋石油学院机电学院，阿布扎比P.O.Box 2533）

采用粒子成像测速技术（PIV）对线－板式静电分离器中微米级别油滴（2 μm）的流动特征进行可视化研究，得到在充分发展的层流条件下（进口气流流速0.16 m/s）电流体随施加电压变化的典型流型及速度分布。结果表明:电流体流型和速度的分布随着施加电压的改变而变化;在外加电压低于起晕电压（小于8 kV）时，流场没有明显变化;随着电压的升高（8～12 kV），放电电极附近及分离器的下游油滴在静电力的作用下以喷嘴的形式向两个收集电极移动，径向运移速度和放电电极上游轴向速度随电压升高而升高;当施加电压大于12 kV时，在放电电极上游电流体二次流以两个对称的反向旋转涡的形式出现，涡的大小随着电压的升高而增大，径向运移速度最高可达0.4 m/s，同时在静电分离器下游出现回流，二次流和回流的出现阻碍了流体沿轴向运移;分离效率随着施加电压的增大而增加。

静电分离器;粒子成像测速;电流体;流型;速度分布;二次流;回流

从气流中分离细微的液滴是工业生产、环境保护过程中经常遇到的一个问题［1］。由于液滴粒径很小，传统的气液分离装置（如旋风分离器）对这些微小液滴分离效率不高，有的甚至无法实现分离。利用静电除尘技术来分离这些细小的液滴被视为一种理想的方法。其原理是通过施加高压电，放电电极发生电晕放电，使气体发生电离，放出自由电子和离子，这些释放出来的电子或离子使尘粒荷电，荷电颗粒在电场力的作用下向集尘极运动并被收集，实现气体和颗粒的分离［2］。静电除尘的效率取决于施加的电场、初始气流特性以及颗粒性质等诸多因素，同时由静电场引起的离子风使气体产生二次流，二次流的出现加剧了分离器中的湍流强度。这些因素相互作用进而影响颗粒在静电场中的运动特性［3］。为了更好地研究静电除尘器中电流体的特性，激光多普勒测速（LDV）［4－5］、粒子成像测速［6－11］等流场可视化技术被引入该领域。然而，对静电除尘器中电流体的可视化研究主要集中于固体颗粒（如粉尘、烟灰等），对由液滴和空气构成的电流体流场特性的研究很少。笔者采用粒子成像测速（PIV）技术对静电分离器中由油滴构成的电流体在充分发展的层流条件下的流场特性进行研究，得到在不同施加电压下电流体的典型流型图和油滴在静电场中的速度分布以及分离器的分离效率。

1 试验

1.1 试验装置

采用的静电分离器的结构形式为线－板式，如图1所示，整个分离部分被置于一个长1500 mm、宽

图1 静电分离器模型Fig.1 Electrostatic separator model

50 mm、高50 mm透明的有机玻璃管内。接地的两收集板采用200 mm×50 mm×2 mm铝板，布置在有机玻璃的上下两个面上;放电电极采用直径0.2 mm、长50 mm铜丝，通过玻璃管中心线与上下面平行，且垂直于流动方向布置。为了得到充分发展的初始层流气流，从有机玻璃管的入口到放电极之间的距离为1300 mm。放电电极与高压电源正极（量程0～40 kV）连接，通过调节高压电源改变施加的电压值。测试的液滴为平均直径2 μm的油滴（RG－100 Shell Ondina oil 917），油滴由喷雾器产生。试验在标准大气压、环境温度为20℃的条件下进行。夹杂着油滴的初始气流流量为25 L/min。油滴和气体构成的流场由PIV系统测量，见图2。脉冲激光由Nd－YAG激光器产生（波长λ=532 nm），通过柱状镜头以激光片（厚度为1 mm）沿有机玻璃管的轴向将有机玻璃管照亮。流场测试区域面积为200 mm×50 mm，图片结果（1600×1186像素）由垂直于激光面的摄像机记录，并导入计算机处理。数据的分析及处理由Dantec Dynamics提供的Flowmap系统软件并结合Tecplot软件来完成。

图2 PIV测试系统Fig.2 PIV test system

1.2 伏安特性曲线

在流场测试试验开始前，为了了解该静电分离结构的电晕放电特性，将放电电极外接高压电源正极，施加电压为0～24 kV，在无初始气流的条件下测得分离器的伏安特性曲线，如图3所示。通过伏安特性曲线可知，该分离器的起晕电压为8 kV，击穿电压（或火花放电电压）为23 kV。

图3 静电分离器的伏安特性曲线Fig.3 Volt-ampere characteristic curve of electrostatic separator

1.3 初始流场

为了验证初始的流动是充分发展的层流，在进口流量为25 L/min、无外加电压的条件下，将方形有机玻璃管内分离器进口处理论计算的速度分布与试验测得的速度分布进行对比。对于方形管在充分发展的层流条件下的速度分布，根据经典流体力学理论可按下列公式求解:

式中，Umax和Um分别为管内最大速度和平均速度，m/s;x为沿高度方向与管道中心的距离;m和n分别为两个求解系数;α=H/W为管子的高宽比。

理论计算的速度分布与实际测量的速度分布如图4所示。两条速度分布曲线几乎重合，表明初始的流动为充分发展的层流。同时，由图4可知，测得的最大速度为0.360 m/s，该速度对应的管内平均流速为0.160 m/s，与由流量求得的平均流速0.163 m/s之间的误差约为2%。由此可见PIV试验所得结果的精度是非常高的。

图4 有机玻璃管内速度分布的理论计算值和试验值对比Fig.4 Comparison between experimental and theoretical velocity distribution inside plexiglass pipe

2 试验结果及其分析

2.1 电流体的典型流型

流场可视化试验结果由两部分组成:一部分是由高速摄像机采集的在施加电压为0、9、10、12、16、20 kV下的瞬时结果，见图5，图中箭头方向代表流体流动方向，区域颜色的深浅代表油滴浓度的高低，黑点代表放电电极（x=100，y=25）;另一部分是通过对100张瞬时图片速度矢量求平均而得到的该条件下的时均速度矢量图（由于篇幅原因，本文中只提供了施加电压为0、9、12、16 kV时的速度时均矢量图），见图6。静电分离器内电流体流型分布随着电压的变化而变化。当施加电压为0或者施加电压低于起晕电压时，分离器内气体未发生电离，不能构成外加电场，惯性力起主导作用，流型没有任何变化，速度矢量呈典型的层流分布。当施加电压为9 kV时，由于电场力的作用，在放电电极和分离器的下游油滴以喷嘴的形式向两个收集板移动;随着电压的升高两喷嘴的开口变大，同时下游的喷嘴向放电极靠近。当施加电压达到12 kV时，两个喷嘴重合，电流体二次流以两个对称的反向旋转涡的形式在放电极上游出现。随着电压的继续升高，涡的大小和强度增大，同时向远离放电极的方向移动。由图6（e）可以看出，在分离器的下游电流体逆向流开始出现。二次流和反向流的出现阻碍了流体沿轴向的运动。试验结果与公开的以粉尘等固体颗粒为工作介质测量的流型结果相比，当施加电压在起晕电压附近时，在分离器的下游本次试验未见卡门涡街的出现，而是以一个随着施加电压增加逐渐变大并向放电极逐渐靠拢的喷嘴的形式出现。

2.2 电流体的速度分布

油滴在静电场中的运动取决于电场力和惯性力的相互作用。当惯性力起主导作用时，油滴的运动以轴向为主;当电场力起主导作用时，油滴以向两收集板（径向）的运动为主。油滴的速度随着施加电压的变化而变化。油滴在施加电压为9、12、16 kV下轴向和径向的时均速度分布如图7、8所示。

当施加电压为9 kV时，在放电极周围和放电极的下游轴向速度减小，而上游沿轴线中心方向靠近放电极处的轴向速度增加。这一现象在施加电压为12 kV时更为明显，轴线中心方向放电极上游的最高速度可达到0.36 m/s，比未施加电压时最大轴向速度提高了20%。此时在放电极周围的轴向速度为零，这是因为此处的电场强度最强，电场力起主导作用，驱使油滴向两极板运动，流动以径向为主。当施加电压达到16 kV时，分离器中的电场强度进一步增强，放电极周围零轴向速度区域增大，放电极上游的最高轴向速度可达到0.52 m/s，同时在放电极下游出现逆向流（最高可达－0.1 m/s）。

油滴的径向速度取决于所受的电场力，当电场强度大到足够克服惯性力时，径向速度就取代轴向速度而占据主导位置。施加电压为9 kV时，气体刚发生电离，只有放电极处（x=100）的电场强度能够克服惯性力的作用，在该处出现两个对称的径向速度高速区，最大速度达到0.1 m/s。在最下游同时也出现两个高速区，对应着下游油滴以喷嘴的形式向两收集极板移动（图5（b））。当电压为12 kV时，距放电极约5 mm处的电场强度已经能够克服惯性力的作用，在x=95处形成两个对称的高径向速度区，最高速度达到0.4 m/s。随着电压的继续升高，分离器内的电场强度增大，高径向速度区逐渐远离放电电极。当施加电压为16 kV时，高速区移至距放电电极15 mm上游处（x=85）。同时，由于电流体逆向流在放电电极下游以涡的形式出现，在距放电电极20 mm下游处（x=120）也出现两个近似对称的高径向速度区，最大速度同样可达0.4 m/s。

2.3 静电分离效率

可以根据像素来判别油滴浓度的高低。利用MATLAB图片处理模块，对不同电压下的流型图沿x方向各个截面像素求平均，如图9所示。由图9可以明显看出分离器出口浓度随着施加电压的升高而降低，即分离效率随着电压增加而提高。当施加电压为20 kV时，分离效率达到90%。另外一个明显的趋势是从分离器进口，油滴浓度呈现上升趋势。这是由于电流体二次流的出现阻碍了油滴沿轴向的运移，导致分离器上游形成油滴高浓度区。当靠近放电电极时，强电场迫使油滴向两收集板移动，油滴浓度迅速下降，实现静电分离。

图9 不同施加电压下油滴浓度分布Fig.9 Oil droplets concentration distribution under different applied voltages

3 结论

（1）静电分离器中电流体的流型和速度随着施加电压的变化而变化。在施加电压小于8 kV（起晕电压）时，流型和速度分布没有任何改变。

（2）当施加电压在8～12 kV时，在放电电极周围以及它的下游，油滴以喷嘴的形式向两个收集极板移动，喷嘴开口随着施加电压的增大而增大，同时下游的喷嘴逐渐向放电电极靠拢并最终与放电电极处的喷嘴重合。随着电压的继续升高（大于12 kV），电流体二次流以两个对称的反向旋转涡的形式在放电电极上游出现，其尺度随着施加电压的增大而变大，在放电电极的下游逆向流也以涡的形式出现。

（3）径向速度随着电压增大而增大，最高可达0.4 m/s。径向速度高速区位置随着施加电压增大逐渐远离放电电极。分离器的分离效率随着施加电压的增大而提高。二次流的出现阻碍了油滴沿轴向的运移，在分离器的上游形成油滴高浓度区。

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Visualization study of electrohydradynamic flow field in electrostatic separator

KONG Xiang－ling1，2，ZHU Hong－wu1，MOHAMED Alshehhi2，AFSHIN Goharzadeh2，DING Kuang1

（1.Faculty of Mechanical and Oil-Gas Storage and Transportation Engineering in China University of Petroleum，
Beijing102249，China;2.Department of Mechanical Engineering，Petroleum Institute，P.O.Box2533，Abu Dhabi，UAE）

The electrohydradynamic（EHD）flow characteristics of micron size（2 μm）oil droplets in a wire－plate electrostatic separator were investigated by particle image velocimetry（PIV）method.The typical flow patterns and velocity distribution under fully developed laminar flow（gas flow velocity of 0.16 m/s）were presented with the applied voltage changed.The results show that the EHD flow patterns and velocity distribution were significantly influenced by the applied voltage.When the applied voltage is below the onset corona discharge voltage（＜8 kV），the flow field does not change significantly.With the increase of applied voltage（8－12 kV），oil droplets at the discharge electrode and the downstream of the separator move towards to the two collecting plates in the form of jet.The transverse velocity and axial velocity at upstream increase as the applied voltage increases.When the voltage is above 12 kV，the EHD secondary flow at upstream of discharge electrode appears in the form of two symmetric counter rotating vortices.The sizes of vortices increase with the voltage increasing.The maximum transverse velocity can reach up to 0.4 m/s.Meanwhile，the EHD reverse flow appears at the downstream of the separator.The appearance of EHD secondary and reverse flow blocks the flow along axial direction.The separation efficiency increases with the increase of the applied voltage.

electrostatic separator;particle image velocimetry（PIV）;electrohydradynamic flow;flow pattern;velocity distribution;secondary flow;reverse flow

TM 89;TQ 051

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2011.06.023

1673－5005（2011）06－0135－05

2011－04－12

孔祥领（1984－），男（汉族），山东菏泽人，博士研究生，主要从事静电分离及电流体的试验与理论研究。

（编辑 沈玉英）