基于旋流与声波的颗粒复合凝并建模与运动轨迹仿真

刘定平， 罗伟乐

(华南理工大学 电力学院，广州 510640)

基于旋流与声波的颗粒复合凝并建模与运动轨迹仿真

刘定平， 罗伟乐

(华南理工大学 电力学院，广州 510640)

为提高微细颗粒间碰撞凝并的概率，提出一种切圆式旋流凝并装置.采用离散颗粒模型(DPM)，对切圆式旋流凝并装置内流场和颗粒运动轨迹进行了仿真，分析了旋流速度、颗粒粒径和添加声波与否对颗粒运动轨迹的影响.结果表明：切圆式旋流具有很好的混合与旋流效果，为微细颗粒的凝并创造了有利条件；旋流速度越大，颗粒受旋流的影响越大，发生碰撞凝并的概率也越大；粒径大的微细颗粒受到的离心力大，易与种子颗粒发生掺混运动，粒径小的微细颗粒受到的离心力小，倾向于与粒径相近的微细颗粒发生掺混运动；声波可以增强不同粒径颗粒间的相对运动，有效地提高了微细颗粒与种子颗粒间碰撞凝并的概率.

旋流； 声波； 颗粒凝并； 运动轨迹

符号说明：

F——颗粒在流场中受到的作用力，N

vg——流体速度，m/s

ω——角速度，rad/s

c——声速，m/s

ρp——颗粒密度，kg/m3

v1——左端烟气进气速度，m/s

d2——旋流进气管径，m

μ——流体动力黏度，kg/(m·s)

vp——颗粒速度，m/s

t——时间，s

mp——颗粒质量，kg

qm1——左端烟气进气的质量流量，kg/s

v2——旋流进气速度，m/s

ρ——空气密度，kg/m3

dp——颗粒粒径，m

A——振幅，m

x——流体质点所在位置，m

τ——颗粒弛豫时间，s

qm2——切圆式旋流进气的质量流量，kg/s

d1——左端烟气进气管径，m

微细颗粒物难以从气体中高效地脱除，且脱除成本很高.但由于净化空气的需要以及微细颗粒物往往携带着重金属或其他有毒成分[1]，因此微细颗粒物的脱除显得极其重要.煤炭和重油燃烧后排放的颗粒物粒径主要集中在几纳米到几微米，然而常规除尘器对微细颗粒物(特别是粒径在0.1～2 μm的颗粒物)的脱除效率很低[2]，如何高效地脱除这些微细颗粒物成为业界迫切需要解决的问题.

设置预处理设施，通过物理或化学的方法使微细颗粒物凝并长大为大颗粒，就可以被常规除尘器高效地脱除[3].湍流凝并技术简单、高效，早已广泛用于控制微细颗粒物的排放.但是只采用湍流凝并技术促进微细颗粒物长大会给系统造成较大的压降[4]，且能耗大，因此湍流凝并技术与其他凝并方法联合使用已经成为未来发展的方向[5].笔者利用流体旋流运动使微细颗粒跟随旋转的特点，提出一种切圆式旋流凝并装置，并与声波凝并技术相结合，以提高微细颗粒物碰撞凝并的概率.

为了研究微细颗粒物在切圆式旋流凝并装置内的凝并问题，首先需要分析切圆式旋流凝并装置内的流场分布和微细颗粒物的运动情况.笔者采用离散颗粒模型(DPM)，通过用户自定义函数(UDF)引入声波力的作用，实现切圆式旋流凝并装置内流场和颗粒运动轨迹的仿真，分析了旋流速度、颗粒粒径和添加声波与否对颗粒运动轨迹的影响，为微细颗粒物基于旋流与声波的复合凝并实验研究提供了理论依据.

1 物理模型

为了研究旋流与声波复合作用下微细颗粒物的运动情况，设计了一种切圆式旋流凝并装置，其物理模型如图1所示.该模型由管道内壁和5个切圆式旋流进口组成，每个切圆式旋流进口与切圆直径成15°夹角，如图2所示.含尘烟气在切圆式旋流凝并装置左端进入，添加种子颗粒的气体经由高压气泵从5个切圆式旋流进口同时进入.整个模型长680 mm，左侧进口管径为40 mm，凝并段管径为100 mm，切圆式旋流进口轴线距左侧烟气进口端面距离为120 mm，5个切圆式旋流进口管径相同，为10 mm.颗粒所受到的声波作用力通过编写UDF引进.

图1 切圆式旋流凝并装置主视图

图2 右视放大图

2 数学模型

2.1 颗粒受到的声波力

由于所研究的颗粒粒径为微米级，颗粒雷诺数Rep≪1，可认为颗粒位于Stokes流[6].根据Stokes定律，流体介质对微米颗粒的作用力[7]为

(1)

其中，

(2)

根据牛顿第二定律，联合式(1)，整理可得质量为mp的颗粒运动方程为

(3)

其中，

(4)

联合式(2)与式(3)，忽略无穷小量，可求出微米级颗粒在流体介质中所受到的声波力为

(5)

2.2 假设条件及计算方法

模型求解的假设条件包括：

(1) 切圆式旋流凝并装置左侧进口的烟气简化为稀疏气固两相，气相采用不可压缩的空气代替，进口条件采用velocity，为了使进气流速与工程实际相接近，取进气流速为10 m/s.

(2) 旋流进口的气体简化为空气与种子颗粒的稀疏两相，种子颗粒粒径取80 μm，进口条件采用velocity.

(3) 烟气颗粒和种子颗粒分别从切圆式旋流凝并装置左侧烟气进口和旋流进口均匀进入.

(4) 由于微米级颗粒质量很小，忽略重力对颗粒的影响.

(5) 切圆式旋流凝并装置出口条件采用outflow.

(6) 颗粒碰到管壁后被反弹出去，其法向和切向恢复系数均采用多项式定律，以此对颗粒下一点位置和速度参数进行计算.

(7) 颗粒出口条件选用escape.

(8) 颗粒所受到的声波作用力通过体积力引进，并且主要考虑声波对颗粒在y方向和z方向的影响，忽略其在x方向的作用.

计算方法：切圆式旋流凝并装置内存在气体旋流流场、颗粒场、声波对颗粒作用力引起的声场以及三者的相互作用，流场的时均应变率非常大，为了使流动更加符合湍流的物理定律并且不至于大量消耗CPU内存，采用Realizableκ-ε双方程模型计算气体的时均速度；颗粒相的运动轨迹采用DPM仿真，为了更加真实地反映颗粒的实际运动状况，对气固两相进行双向耦合，连续相每计算10步则离散相计算1步，选用随机游走模型(DRW)修正颗粒的运动轨迹，考虑Saffman升力和曳力作用，忽略颗粒间的相互作用.假定颗粒的喷射速度与气相流速相同，空气动力黏度为1.789×10-5kg/(m·s)，空气密度为1.225 kg/m3，颗粒密度取2 100 kg/m3.

2.3 动量比

由于切圆式旋流凝并装置内流场与2个进口气体的动量比关系很大，因此引入动量比的概念，将左端烟气进气与每个切圆式旋流进口进气的动量比定义为

(6)

3 结果与分析

3.1 流线

切圆式旋流进口速度取30 m/s，此时ε为1.78，切圆式旋流凝并装置内流场的流线如图3所示，其中细实线表示切圆式旋流凝并装置左侧烟气进口流体的流线，粗实线表示旋流进口流体的流线.图4为未添加切圆式旋流时凝并装置流场的流线图.

图3 切圆式旋流凝并装置流场的流线

Fig.3 Streamlined diagram of flow field in the tangential swirl coagulation device

图4 不添加切圆式旋流时凝并装置流场的流线

Fig.4 Streamlined diagram of flow field in the coagulation device without tangential swirl

由图3可知，在切圆式旋流凝并装置的旋流进口附近存在流体的强烈扰动与撞击，撞击混合以后的流体由于受到切圆式旋流所产生离心力的影响，旋流进口的流体沿切圆式旋流凝并装置内壁进行有规律的旋流运动，左端进口的流体则紧贴着旋流进口的流体进行有规律的旋流运动，由于2股流体进行旋流运动的角速度不同，流线在交界的圆柱面上相互交错.从图4可以看出，未添加切圆式旋流时，凝并装置内的流线大部分按照来流进口的方向进行直线运动，仅在凝并段的前半部分由于扩张管的扰流作用而产生些许扰动.因此，总体来看切圆式旋流具有很好的混合与旋流效果，为颗粒碰撞凝并的发生创造了有利条件.

3.2 颗粒轨迹

3.2.1 不同旋流速度对颗粒运动轨迹的影响

切圆式旋流进口速度选15 m/s、25 m/s、30 m/s和35 m/s 4种工况，此时ε分别为7.11、2.56、1.78和1.31，在未添加声波的情况下，对粒径为2.5 μm的颗粒运动轨迹进行仿真，不同旋流进口速度的仿真结果如图5所示，图中粗实线和细实线分别代表种子颗粒与2.5 μm颗粒的运动迹线.

从图5可以看出，旋流速度取15 m/s时，颗粒受旋流作用的影响最小，旋流运动不明显，在切圆式旋流凝并装置内运动的迹线最短.当旋流速度大于25 m/s时，颗粒开始进行有规律的旋流运动，并且随着旋流速度的增大，颗粒的旋流效果逐渐增强，在切圆式旋流凝并装置内其旋流运动的迹线越长，微细颗粒与种子颗粒交错得越多，迹线越混乱.迹线的交错表明颗粒间存在碰撞凝并的可能[8]，颗粒在切圆式旋流凝并装置内的迹线越长,说明交错的机会越大.另一方面，随着旋流速度的增加，颗粒旋流运动的迹线越往切圆式旋流凝并装置内壁靠拢，使得内壁附近的区域成为一个高颗粒浓度区，高浓度的旋流区增大了颗粒间发生碰撞凝并的概率[9]，强化了颗粒间的凝并效应.因此，增大旋流速度可以有效提高颗粒间碰撞凝并的概率.

(a) 旋流速度15 m/s

(b) 旋流速度25 m/s

(c) 旋流速度30 m/s

(d) 旋流速度35 m/s

3.2.2 不同粒径微细颗粒的运动轨迹

为了便于观察不同粒径微细颗粒的旋流效果，旋流进口速度取30 m/s，ε为1.78，在未添加声波的情况下，对粒径为1 μm、2.5 μm、5 μm、7.5 μm和10 μm微细颗粒的运动轨迹进行仿真，仿真结果如图6所示.

图6(a)～图6(e)为不同粒径微细颗粒与种子颗粒的运动轨迹，图中粗实线代表种子颗粒的运动迹线，细实线代表微细颗粒的运动迹线.从图6可以看出，随着微细颗粒粒径的增大，颗粒旋流运动所在的圆柱面不断地增大，由于种子颗粒都是沿着切圆式旋流凝并装置内壁所在的圆柱面附近进行旋流运动的，微细颗粒粒径越大，所受到的离心力越大，越容易与种子颗粒发生掺混；另一方面，微细颗粒粒径越大，质量越大，其运动惯性也越大，跟随性变差，其旋流运动的迹线越短，与种子颗粒交错的概率也会相应地降低.正反两方面相互作用下，存在最佳的与种子颗粒掺混的粒径.从图6还可以看出，本条件下，粒径为5 μm和7.5 μm的微细颗粒与种子颗粒掺混得最为明显.

(a) 1 μm与种子颗粒

(b) 2.5 μm与种子颗粒

(c) 5 μm与种子颗粒

(d) 7.5 μm与种子颗粒

(e) 10 μm与种子颗粒

(f) 1 μm、2.5 μm、5 μm、7.5 μm和10 μm

图6(f)为切圆式旋流凝并装置左端进口各种粒径微细颗粒的运动轨迹.从图6(f)可以看出，由于粒径不同，质量不同，所受到的离心力不同，不同粒径微细颗粒的迹线存在相互交错的现象，表明微细颗粒间存在碰撞凝并的可能.

3.2.3 声波对颗粒轨迹的影响

为改善切圆式旋流凝并装置内粒径在2.5 μm以下微细颗粒与种子颗粒间的掺混效果，引入了声波的作用.声波强度取150 dB，频率取1 200 Hz，颗粒所受到的声波作用力通过UDF引进，旋流速度取30 m/s，ε为1.78，对粒径为2.5 μm的颗粒运动轨迹进行仿真，仿真结果如图7所示，其中细实线、粗实线分别代表2.5 μm颗粒和种子颗粒的运动迹线.

仿真结果表明，2.5 μm的颗粒受声波作用的影响大，经过撞击混合区时的迹线变得更加紊乱，在凝并段偏离原有的旋流圆柱面，深入到种子颗粒内部进行旋流运动，与种子颗粒的运动迹线相互交错，运动迹线变得更加复杂；种子颗粒受声波作用影响不大，运动迹线几乎保持原有的旋流运动不变.这是因为粒径小的颗粒惯性小，易于受到声波力的作用而跟随声波作有规律的波动，而粒径大的颗粒惯性大，不容易被声波力挟带运动，大小颗粒间发生相对运动而相互碰撞.由于实际烟气中所含颗粒的粒径并非单一，因此声波可以有效地提高烟气中各种粒径颗粒间的碰撞凝并概率.

(a) 未加声波

(b) 添加声波

4 结 论

(1) 切圆式旋流具有很好的混合与旋流效果，为微细颗粒的凝并创造了有利条件.

(2) 旋流速度越大，颗粒受到旋流的影响越大.一方面，颗粒在切圆式旋流凝并装置内运动的迹线越长，增加了微细颗粒与种子颗粒间碰撞凝并的概率；另一方面，使得切圆式旋流凝并装置内壁附近的区域成为一个颗粒高浓度区，可以有效地强化颗粒间的凝并效应.

(3) 随着微细颗粒粒径的增大，颗粒旋流运动所在的圆柱面增大，越容易与种子颗粒发生掺混.但是，随着粒径的增大，微细颗粒旋流运动的迹线相应地缩短，减少了与种子颗粒发生交错的概率.因此，存在最佳的与种子颗粒掺混的粒径.

(4) 由于微细颗粒的粒径不同，质量不同，所受到的离心力也不同，因此不同粒径微细颗粒间存在相对速度.

(5) 声波可以增强不同粒径颗粒间的相对运动，有效地提高了微细颗粒与种子颗粒间碰撞凝并的概率.

[1] 李敬伟, 施浩勋, 李敏, 等. 燃煤电厂飞灰PM2.5及PM2.5-10中多环芳烃分布特性研究[J]. 动力工程学报, 2015, 35(4): 306-311.

LI Jingwei, SHI Haoxun, LI Min, et al. Distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in PM2.5and PM2.5-10from fly ash of coal-fired power plants[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2015, 35(4): 306-311.

[2] TAMMARO M, DI NATALE F, SALLUZZO A, et al. Heterogeneous condensation of submicron particles in a growth tube[J]. Chemical Engineering Science, 2012, 74: 124-134.

[3] GHADIKOLAEI S M. Feasibility study of using condensation in increasing diameter of airborne particulate matter to enhance control efficiency[J]. Bulletin of the Georgian National Academy of Sciences, 2014, 8(2): 542-552.

[4] 章鹏飞, 米建春, 潘祖明. 装置元件排列间距和颗粒浓度对细颗粒湍流聚并的影响[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(6): 1625-1632.

ZHANG Pengfei, MI Jianchun, PAN Zuming. Influences of elemental arrangement and particle concentration on fine particle amalgamation[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(6): 1625-1632.

[5] 郦建国, 吴泉明, 胡雄伟, 等. 促进PM2.5凝聚技术及研究进展[J]. 环境科学与技术, 2014, 37(6): 89-96.

LI Jianguo, WU Quanming, HU Xiongwei, et al. PM2.5coalescence promoting technology and research progress[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 37(6): 89-96.

[6] 王洁. 声波团聚及联合其他方法脱除燃煤飞灰细颗粒的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012.

[7] 杨旭峰, 凡凤仙. 声波夹带法测量可吸入颗粒物粒径的误差和范围[J]. 动力工程学报, 2016, 36(3): 196-200.

YANG Xufeng, FAN Fengxian. Error and range in measurement of inhalable particle sizes by acoustic entrainment method[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2016, 36(3): 196-200.

[8] 刘忠, 刘含笑, 冯新新, 等. 湍流聚并器流场和颗粒运动轨迹模拟[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(14): 71-75.

LIU Zhong, LIU Hanxiao, FENG Xinxin, et al. Simulation for the flow field of the turbulence coalescence device and the trajectory of particles[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(14): 71-75.

[9] 熊桂龙, 杨林军, 颜金培, 等. 对喷流协同蒸汽相变对燃煤细颗粒脱除性能的影响[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(32): 39-45.

XIONG Guilong, YANG Linjun, YAN Jinpei, et al. Removal of fine particles from coal combustion by combined impinging streams and heterogeneous condensation[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(32): 39-45.

Moving Trajectory Simulation of Particles and Modeling of the Complex Coagulation Based on Swirl and Acoustic Wave

LIUDingping,LUOWeile

(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

To improve the probability of collision and coagulation among ultrafine particles, a tangential swirl coagulation device was developed, in which the flow field and particles moving trajectory were simulated using discrete particle model (DPM), so as to analyze the influence of swirl velocity, particle size and acoustic wave on the moving trajectory of particles. Results show that the tangential swirl has good swirling and mixing effects that benefit for the collision and coagulation of ultrafine particles; the higher the swirl velocity is, the stronger the swirling effects will be on the particles, leading to easier collision and coagulation among particles. Ultrafine particles of large sizes are subjected to large centrifugal force, which are more likely to mix with the seed particles, while those of small sizes are subjected to small centrifugal force, which are more likely to mix with the ultrafine particles of similar sizes. Acoustic wave can enhance the relative motion among particles of different sizes, which make ultrafine particles easier to collide and coagulate with the seed particles.

swirl; acoustic wave; coagulation of particles; moving trajectory

2016-06-03

2016-09-26

国家自然科学基金资助项目(51676072)

刘定平(1965-),男,湖北汉川人,副教授,博士,主要从事节能环保方面的研究. 罗伟乐(通信作者),男,硕士研究生,电话(Tel.):13570292835；E-mail:395956827@qq.com.

1674-7607(2017)05-0413-05

X513

A 学科分类号：610.30