凝聚器中圆柱、半圆扰流流场及阻力计算

郦祝海，袁建国，刘含笑，郦建国(浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800)

0 引言

近年来，我国大中城市雾霾天气越来越多，严重影响了城市居民的健康和生活，PM2.5含量过高是导致雾霾天气的主要原因，而燃煤电厂又是PM2.5主要污染源之一。目前，火电厂除尘设备90%以上为电除尘器，其对PM2.5的去除率比较低，电除尘器出口PM2.5含量占烟尘总量排放的50%～90%[1-3]。国家对PM2.5的控制日益重视，相继出台了《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)、《环境空气质量标准》(GB3095-2012)。因此开发一种燃煤电厂PM2.5捕集增效技术，对解决我国的PM2.5问题将起到重要作用。

在传统电除尘器前增设预处理装置，使超细颗粒物通过物化方法凝聚成较大颗粒，从而在电除尘器内顺利脱除是现在除尘技术发展的趋势，因此，研究超细颗粒物凝聚技术具有重要的意义[4-8]。我们研发一套微细颗粒捕集增效装置(后文简称凝聚器)，扰流柱是其核心部件之一[9]。本文通过数值方法计算凝聚器中圆柱、半圆扰流流场及阻力,旨在为凝聚器的优化设计提供理论参考。

1 几何模型

数值模拟中圆柱、180°半圆、225°半圆及270°半圆几何模型见图1。

(a)圆柱 (b)半圆

(c)225°半圆 (d)270°半圆

在unsteady条件下进行模拟，入口条件均为速度入口，入口流速依次为12m/s，出口边界：Outflow，气体粘度2.54NS/m2，密度0.915kg/m3(考虑了温度修正、没有考虑压力修正)。

2 数学模型

烟气属于流体，它的流动遵循一套守恒方程， 它们包括质量守恒方程(常称连续方程)、动量守恒方程和能量守恒方程。

由于目前我们关心的主要是速度分布特征，因此，可以仅考虑连续方程和动量守恒方程。写成速度分量的形式，连续方程和动量守恒方程可以写成如下形式：

(1)

(2)

3 计算结果及讨论

3.1 湍流强度

图2 测线位置

取4条测线，A为两排扰流柱中间位置；B为第2排扰流柱后1倍直径距离；C为第2排扰流柱后5倍直径距离；D为第2排扰流柱后10倍直径距离，如图2所示。以入口流速10m/s为例，不同测线湍流强度值如图3所示，半圆扰流效果优于整圆，且半圆角度越小，湍流强度的峰值越大。

(a)圆柱

(b)180°半圆

(c)225°半圆

(d)270°半圆

图4 湍流强度平均值比较

图5 湍流强度曲线投影面积比较

3.2 阻力

图6 阻力比较

当流速大于8m/s时，半圆的角度越小，阻力越大，且随着流速的增加，这种差距拉大，当流速为20m/s时，270°半圆扰流跟圆柱扰流阻力相当。

4 结语

研究表明，燃煤电厂排放的PM2.5虽占全国总排放量的10%～20%，但其排放总量数字庞大。目前，我国PM2.5污染十分严重，对于燃煤电厂建设较多的地区，其污染物对PM2.5的贡献率甚至大于30%，且在未来相当长的时间内，我国以煤为主的能源供应格局不会发生根本性的改变。采用k-ε模型分别计算圆柱及不同角度半圆柱扰流工况，经比较各流场参数的时均值，表明半圆角度越小，湍流效果越好，但阻力也越大。

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