钝体绕流中颗粒团聚的研究

摘要

目前许多实际应用中的燃煤烟气排放控制技术已经拥有较高的水平，但是对于燃煤烟气中的细颗粒物质的脱除效率仍然很低，致使超细颗粒物大量的排入大气，造成环境污染。我国政府和有关行政主管部门深刻感知到大气中悬浮烟尘对环境和身心健康的严重影响，郑重提出了一些控制燃煤烟气排放的相关标准和法律性文件。但是我国对于超细颗粒物脱除和排放还处于研究阶段，应用于工业生产的设备几乎没有，对于细颗粒排放的控制需要进一步研究。 本文对现有的除尘技术和颗粒团聚技术进行了了解，并针对不同颗粒团聚技术进行了分类，现有学者的研究成果很好的诠释了不同种类颗粒团聚技术的优缺点，以及需要改进的研究方向和实施手段。通过对以往学者的研究成果的归纳总结，本文将对湍流聚并技术和蒸汽相变团聚技术作进一步探索。主要采用PBM模拟的研究方法分析后台阶与方形绕流流场中颗粒团聚情况，得到颗粒团聚的特性。 首先，通过与传统的湍流模型进行对比，观察加入颗粒团聚模型后流场中涡结构的变化以及后台阶流动中特征尺寸等，对颗粒团聚数学模型进行验证。 其次，对后台阶流动过程中颗粒碰撞团聚情况进行研究。依据现有的烟道尺寸，构建简化的方形管道，在烟道中模拟气固两相方柱绕流情况，通过改变颗粒体积分数、颗粒直径、流体速度、水蒸气添加量以及方柱尺寸等关键因素，研究气相与固相之间的作用对颗粒团聚效果的影响。结果表明，速度为4~5m/s、水蒸气添加量为0.05时团聚效果最佳。 最后，对方柱绕流过程中颗粒的团聚情况进行数值模拟，分别研究贴壁长方柱和短方柱两种物理模型，与后台阶流动过程中颗粒团聚效果进行对比。得出：由于长方柱的存在，长方柱绕流流动过程中不存在二次回流区，而是在方柱后方存在一个较大的一次回流区域，在与后台阶流动相同条件下颗粒团聚的整体效果相近；而由于短方柱绕流过程中存在两种涡结构，颗粒碰撞团聚效果优于其他两种绕流模型，短方柱最优尺寸为120mm，并且短方柱结构简单易于应用于工程实际。

目录

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主要符号表

第一章绪论

1.1颗粒团聚研究的背景和意义

1.1.1超细颗粒物的来源和危害

1 .1. 2 燃煤细颗粒物的形成机理

1.1.3超细颗粒物的排放控制技术的改进方法和研究意义

1.2 团聚技术及其研究现状

1.2.1 颗粒团聚技术的分类

1.2.2电聚并

1.2.3 磁聚并

1.2.4 化学团聚

1.2.5声聚并

1.2.6 热聚并

1.2.7 湍流聚并

1.2.8 蒸汽相变团聚

1.3 钝体绕流的研究现状

1.4 本文研究的工作

第二章 颗粒群平衡模型和湍流模型

2.1 颗粒群平衡模型

2.1.1 零维颗粒群平衡模型

2.1.2 多维颗粒群平衡模型

2.2 典型动力学事件

2.2.1 碰撞

2.2.2 凝并

2.2.3 球化

2.2.4 成核

2.2.5 破碎

2.3湍流方程

2.3.1 湍流模型

2.3.2 湍流数值模拟方法

2.3.3 湍流模型分类

2.4本章小结

第三章 模型的建立及对比

3.1 流体控制方程

3.2 湍流模型的选择

3.3 颗粒团聚方程

3.4 物理模型

3.5网格划分和边界条件的设置

3.6 仿真模型的对比

3.7本章小结

第四章 后台阶绕流颗粒团聚的效果

4.1 不同位置处涡结构与团聚效果的联系

4.2 不同初始粒径与颗粒团聚的联系

4.3 不同初始颗粒物体积分数与团聚效果的联系

4.4 不同流体速度与团聚效果的联系

4.5 不同水蒸气添加量对团聚效果的影响

4.6本章小结

第五章长方柱绕流颗粒团聚数值模拟

5.1 初始粒径对团聚效果的影响

5.2 颗粒体积分数对团聚效果的影响

5.3 速度对团聚效果的影响

5.4 水蒸气添加量对团聚效果的影响

5.5 方柱尺寸优化

5.6 本章小结

第六章短方柱绕流颗粒团聚数值模拟

6.1 短方柱扰流中颗粒团聚的效果

6.1.1 短方柱的速度特征

6.1.2 颗粒团聚效果的影响因素

6.2 短方柱与长方柱的对比

6.3 方柱尺寸的优化

6.4 本章小结

第七章结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢