微颗粒捕集增效装置中圆柱扰流流场特性研究
2017-09-16许铨安刘含笑何德源
许铨安, 吴 金，刘含笑, 何德源，郭 滢
(浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800)
资源与环境
微颗粒捕集增效装置中圆柱扰流流场特性研究
许铨安, 吴 金，刘含笑, 何德源，郭 滢
(浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800)
圆柱扰流是微颗粒捕集增效装置扰流区的主要动力源，探讨单圆柱扰流、双圆柱扰流及多圆柱扰流的流场特性，为正确认识圆柱扰流的流场特性及规律，对该装置的结构优化及性能提升均具有重要意义。
PM2.5；燃煤电厂；数值模拟；Strouhal数
近年来，我国雾霾天气频发，PM2.5是致霾的主因之一，而燃煤又是PM2.5主要污染源之一。微颗粒捕集增效技术采用双极荷电和湍流凝并的原理，将细颗粒凝并为大颗粒后高效脱除，是目前国内外研究的热点技术，该装置安装于电除尘器之前，其扰流区通过扰流装置的扰流作用，产生不均匀的湍流流场，因此，正确认识圆柱扰流的流场特性及规律，对该装置的结构优化及性能提升均具有重要意义。
1 圆柱扰流涉及的重要参数
对于圆柱扰流来说，涉及的重要参数主要有曳力系数、升力系数和Strouhal数等，计算公式如(1)～(2)。
曳力系数：
(1)
升力系数：
(2)
Strouhal数：
(3)
上式中：Fd为圆柱受到x方向的拖曳力；ρ为流体密度；u为来流速度；D为圆柱直径；Fl为圆柱受到z方向的横向力；f为一对涡的泻涡频率。
另外一个重要参数是Re，对于单个扰流柱来说，随着Re变化，流场有明显的变化规律，如图1所示。如当Re<5时，无旋涡产生，与理想流体的绕流对称性相似；5
图1 单圆柱扰流随着Re变化规律
2 单扰流柱流场特性
计算单扰流柱的升力、阻力系数的时程曲线如图2所示，随雷诺数Re增大，阻力、升力系数的振幅相应增大，振动次数增多。
图2 阻力、升力系数的时程曲线
以Re=1.54×104为例，不同时刻的涡量等值线如图3所示。涡街程对称分布，且随涡街脱落，圆柱两侧不对称分布，且涡碰壁面后碎成多个小涡。
图3 涡量等值线图
3 双扰流柱流场特性
鉴于微颗粒捕集增效装置内圆柱扰流不同的排列方式，可分为串联(工况A)、并联(工况B)、倾斜布置(工况C)三种，如图4所示。
图4 双圆柱不同排列方式
基于LES湍流模型，计算双扰流柱湍流流场瞬参数云图如图5所示，就湍流粘度的量值及分布区域综合考虑，直接串联布置(工况A)的方式湍流效果较差，并联布置(工况B)时涡街呈对称分布，扰流效果较好，当圆柱错列布置(工况C)时，湍流效果次之。
图5 各工况湍流粘度云图
4 多扰流柱流场特性
图6 多扰流柱流场涡量
基于LES湍流模型，模拟流场的瞬时参数，多圆柱扰流区流场涡量如图6所示。扰流效果佳，且存在明显涡街脱落。图7为各个圆柱在流场中所受曳力、升力时程曲线，两个作用力系数均程规律性周期变化，且前排圆柱扰流柱的曳力、升力系数波动幅度明显小于后排，这主要是因为前排圆柱的来流速度及方向相对均匀，经圆柱扰流后流场中有周期性的涡街脱落，再经后排圆柱扰流后，进一步提高了涡街能量。
图7 阻力、升力系数的时程曲线
5 结语
圆柱扰流是微颗粒捕集增效装置扰流区的主要动力源，探讨单圆柱扰流、双圆柱扰流及多圆柱扰流的流场特性，为正确认识圆柱扰流的流场特性及规律，对该装置的结构优化及性能提升均具有重要意义。但应重新讨论特殊条件下，如狭长区间或固定界面条件下，圆柱扰流的流场特性，及各流场参数，尤其是strouhal数等参数的关系及规律。
[1] 郦建国，郭 峰，梁丁宏，等. 双极荷电流体混合凝聚技术的研究[C]//全国燃煤电厂除尘技术论坛文集，2009.
[2] 郦建国，郭 峰.促进颗粒物聚合的方法与装置：中国，CN101780361A[P].2010-07-21.
[3] 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.
[4] 刘 忠，刘含笑,冯新新,等.超细颗粒物聚并模型的比较研究[J].燃烧科学与技术，2012,18(3)：212-216.
[5] 刘 忠，刘含笑,冯新新,等.超细颗粒物湍流聚并理论与数值模拟[C]//第14届中国电除尘学术会议论文集，2011:31-37.
[6] Liu Hanxiao,Liu Zhong,Feng Xinxin,et al.Multiple vortex sody vortex numerical simulation[J].Advanced Materials Research，2011,32(14):1755-1758.
[7] 徐小峰，郦建国.可吸入颗粒物脱除技术及应用前景[C]//第14届中国电除尘学术会议论文集，2011:31-37.
[8] 刘含笑，姚宇平，郦建国. 凝聚器二维单扰流柱流场中颗粒凝并模拟[J]. 动力工程学报,2015,35(4):292-297.
[9] 刘含笑，姚宇平，郦建国. 湍流场中颗粒破碎工况的数值模拟研究[J]. 环境工程学报,2015,9(8):3937-3943.
[10] 刘含笑，姚宇平，郦建国. 一种布置在ESP进口封头的微颗粒捕集增效装置研究和开发[J].中国电力,2015,48(8):1-7.
[11] 郦建国，刘含笑，姚宇平. 凝聚器扰流区流场特性研究[J]. 中国粉体技术,2014,20(2): 51-55.
[12] 郦建国，刘含笑，姚宇平. 凝聚器流场中扰流柱径向受力计算[J]. 热力发电,2014,43(8):98-101.
[13] 郦建国，刘含笑，姚宇平. 凝聚器二维单扰流柱流场计算[J].华东电力,2013,41(11): 2404-2407.
(本文文献格式：许铨安,吴 金，刘含笑，等.微颗粒捕集增效装置中圆柱扰流流场特性研究[J].山东化工,2017,46(15):166-168.)
The Flow Field Characteristics Study of Cylindrical Vortex in Micro Particle Capture Device
XuQuan'an，WuJin，LiuHanxiao,HeDeyuan,GuoYing
(Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co.,Ltd,Zhuji 311800,China)
Cylindrical turbulence wass the main source of power of disturbed flow area in micro particle capture efficiency device ,single cylinder disturbed flow,double cylinder disturbed flow and more cylindrical vortex flow field characteristics was done,which shows great significancefor for the correct understanding of cylindrical flow field characteristics and regularity of turbulence,structure optimization and performance improvement of the device.
PM2.5; coal-fired power plant; numerical modeling; Strouhal number
2017-05-21
许铨安(1964—)，男，浙江诸暨人，高级工程师，浙江菲达环保科技股份有限公司副总经理；通讯作者：刘含笑(1987—)，山东潍坊人，硕士，主要从事燃煤电站PM2.5捕集增效与优化技术研发工作。
X513
A
1008-021X(2017)15-0166-03
