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多相流系统中微颗粒的运动特性研究

孙茂川  
【摘要】:随着经济快速发展,世界各地的雾霾现象日益严重。雾霾中的PM2.5/PM10微颗粒对人体健康有着严重的危害性,因此对空气中PM2.5/PM10颗粒的浓度进行检测是非常有必要的。针对雾霾现象,本论文提出了一种基于石英晶体微天平和介电泳(Dielectrophoresis,DEP)原理的PM2.5/PM10浓度监测系统。为了提高PM2.5/PM10浓度监测系统的监测精度以及实现系统对PM2.5/PM10两种颗粒浓度分别监测,本论文采用离散相方法(Discrete Phase Model,DPM)与流体体积方法(Volume of Fluid,VOF)相耦合的方式对监测系统中PM2.5/PM10微颗粒的运动特性进行了数值模拟。为了便于描述微颗粒运动特性,本文将颗粒运动最接近检测池底部的位置称为颗粒的"沉降点"位置。在固-液两相流模型的微颗粒运动轨迹模拟中,分别研究了液体粘度、液体密度、入口速度因素对微颗粒运动轨迹的影响,结果表明:液体粘度由0.01Pa·s减小到1×10-Pa·s过程中,颗粒"沉降点"位置随着液体粘度的减小而下降,当液体粘度从1×10~(-4)Pa·s继续减小到1×10~(-6)Pa·s时,颗粒"沉降点"位置随着液体粘度的减小而略微上升;在液体密度从500kg/m~3增加到2500kg/m~3过程中,颗粒"沉降点"位置随着液体密度的减小而略微下降;入口速度由0.2m/s增加到10m/s的过程中,不同直径颗粒的运动轨迹分离程度变大且"沉降点"位置有所上升。在固-液两相流的基础上,利用VOF+DPM耦合模型模拟研究了气-液-固三相流中入口速度、液体粘度、液体密度、气液两相表面张力这些因素对微颗粒轨迹的影响,结果发现:入口速度由0.2m/s增大到2m/s过程中,不同直径微颗粒的运动轨迹分离程度不断增加,其中PM2.5颗粒"沉降点"位置随着入口速度增加而上升,PM10颗粒"沉降点"位置随着入口速度增加先降低随后上升;液体粘度从0.001Pa·s减小到1×10~(-6)Pa·s过程中,微颗粒"沉降点"位置不断下降;当液体密度500kg/m~3增大到2000kg/m~3过程中,颗粒的"沉降点"位置出现先下降后上升的趋势,在1500kg/m~3时,颗粒"沉降点"具有一个最低位置;气液两相表面张力的变化也对微颗粒的运动产生规律性影响,当表面张力为0.065N/m时,颗粒"沉降点"位置达到最低。通过模拟研究,得到优化的PM2.5/PM10检测系统物性参数,即入口速度设定为0.5m/s~(-1)m/s最为合适,并且可以利用高分子减阻剂将检测池中电解质溶液的液体粘度调整为1×10~(-5)Pa·s,液体密度调整为1500kg/m~3,表面张力调整为0.065N/m。


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