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除雾器内细颗粒物湍流扩散规律研究

蔡新剑  
【摘要】:目前,我国的雾霾问题日益突出,其产生的原因与燃煤电厂中湿法脱硫除雾设备对细颗粒物脱除效率的低下有很大关系。过去对除雾器的研究中普遍存在研究对象粒径较大且忽略了湍流扩散对细颗粒物运动影响的问题。为了探寻细颗粒物在除雾器中的湍流扩散规律,旨在为除雾器提高细颗粒物脱除效率提供改进思路,本文基于数值模拟和实验相结合的方法,分析了不同除雾器结构中细颗粒物在湍流场中的运动扩散和沉积规律,其中主要包括以下内容:(1)针对带勾折流板除雾器建立了数学模型,采用不同颗粒湍流扩散模型以及大涡模拟(LES模型)的方法,计算了 15μm以下粒径的雾滴在带勾折流板除雾器的中的运动。说明了考虑湍流扩散的影响的必要性。同时,采用CRW和DRW模型预测雾滴在除雾器中的湍流扩散,可以有效的提高小粒径的雾滴(10μm)的脱除效率计算的准确度。两种随机轨道模型在局部均匀的小尺度湍流脉动流场中对雾滴的速度和脉动预测较为准确,而在大尺度的湍流涡旋中其结果并不理想。采用大涡模拟可以有效地预测流场的脉动和涡旋分布,其计算得出的脱除效率与实验值偏差很小。(2)选取涡流除雾器为物理模型,搭建了涡流除雾器细颗粒物沉积分布实验平台。使用显微设备得到了涡流除雾器不同入口气速条件下,不同壁面位置捕集的细颗粒物粒径分布和单位面积分布密度,结合数值模拟对涡流除雾器中的各挡板的细颗粒物沉积规律进行了分析和总结。从不同挡板位置上看,涡流除雾器壁面沉积的细颗粒物中粒径较大的颗粒(12μm)更多沉积在流道位置靠前的挡板上,而粒径较小的颗粒(12μm)则更多分布在位置靠后的挡板上。从流场特征上看,涡流除雾器中的局部壁面沉积效率与局部流场速度大小和流场方向与壁面的夹角有很大关系。局部流速较高且流场方向与挡板夹角较大的的挡板有着较高的颗粒沉积率。同时湍流脉动的强度对颗粒的运动扩散影响较大,局部流场速度脉动相对剧烈的挡板有着较高颗粒沉积率。(3)采用了两种简化的物理模型研究了除雾器中颗粒流壁面沉积受到的影响因素,包括流速,主流方向与壁面的夹角,以及湍流尺度与强度等。结果表明细颗粒物整体壁面沉积率与流速和流速方向与壁面的夹角均呈正相关关系。其中提高流速对粒径大于12μm的细颗粒物影响大于对粒径小于12μm的细颗粒物。大尺度的流场涡旋脉动在流道开阔的位置可以显著提高颗粒流的弥散范围,使颗粒流在壁面的沉积率下降。而在较为狭窄的除雾器通道内则相反,较高强度的大尺度涡旋使细颗粒物在两侧壁面的沉积率增大,10mm流道间距模型的沉积效率受湍流强度的增幅效应大于30mm流道间距的模型,其中当脉动强度较高时,不同粒径颗粒的沉积率与其流场响应时间和涡旋结构特征时间的周期吻合程度有很大关系,吻合程度较高的颗粒有着更高的壁面颗粒沉积率。壁面附近的局部均匀的小尺度的脉动对粒径较小的颗粒(10μm)的碰壁沉积概率影响较大,提高壁面附近流场小尺度脉动的强度可以有效提高粒径较小的细颗粒物的壁面沉积率。


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