线板式静电设备内微小液滴运动特性的数值模拟研究

摘要

静电设备广泛应用于除尘、除雾等领域，在电厂的脱硫脱硝、整体煤气化联合循环发电等过程中都发挥重要作用。研究液滴在静电设备内的运动特性有助于揭示除雾机理，为冷却塔节水提供新的思路，也能在工程实际中为静电设备的设计和优化提供指导。本文采用数值模拟的方法建立了电场、流场和液滴动力场多场耦合模型，给出了流场计算方法、电特性计算方法和液滴控制方法，同时加入了物理模型改进，探讨线板式静电设备内液滴的运动规律。主要内容包括以下几个方面： 首先，研究了静电设备内静电场、流场和液滴动力场间的相互作用。结果表明：较为规则的设备中，层流和湍流对液滴运动影响程度无显著差异，液滴在设备内的运动距离随着流速的增加而增大；电压越大设备内的电场强度越大，液滴越容易往极板方向偏转；线径增大液滴受到的电场力作用增强，另一方面线径增大阴极线下游容易形成尾流，靠近阴极线的流体更容易被分散；随着液滴粒径的减少，液滴受到的曳力所占的比重增大，小粒径液滴受流场的作用更明显，电场作用减弱导致液滴y方向速度分量减小，使得较小粒径的液滴更难被收集。 然后，研究了离子风效应对液滴运动特性的影响。离子风效应的初始形态表现为漩涡，二维结构下每个阴极线附近形成四个漩涡，以阴极线为中心的十字结构排布，阴极线上游的两个漩涡方向相反，上下游两个水平漩涡方向也相反。阴极线上游漩涡对流场有聚集的作用，下游漩涡对流场有发散的作用；离子风无量纲参数大于0.4时，离子风效应不能被忽略；液滴入口越靠近极板越容易受到离子风漩涡的影响，进而产生液滴回流的现象，随着液滴入口靠近中心线这种现象逐渐消失；离子风强度相对于流场驱动力越大，离子风效应越明显，会增加液滴在静电设备内收集时间，不利于液滴的捕集。 最后，研究了基于电流体动力学的变入口宽度静电设备对液滴运动的影响。气流在窄入口设备的入口处形成涡流使液滴产生较大的回流现象，气流进入设备后流速降低，离子风相对作用增强，离子风效应对液滴的影响增大；离子风效应在窄入口静电设备中被放大，使得部分液滴在设备内的停留时间加长，但窄入口设备在相同流速和相同入口流量情况下对液滴的收集作用都有增强作用，一方面降低液滴在静电设备内的滑行距离，另一方面使得靠近极板入口的液滴更容易被收集。

目录

主要符号表

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 静电设备简介

1.2.1高压电场产生电晕

1.2.2电晕放电

1.2.3液滴及微粒的荷电

1.2.4液滴的运动及捕集

1.3 静电模拟国内外研究现状

1.4 本文研究内容及意义

第2章 数值模型及验证

2.1层流和湍流

2.2静电场和电流

2.3液滴荷电

2.4曳力模型

2.5控制方程计算方法及多场耦合算法

2.5.1流场计算方法

2.5.2电特性计算方法

2.5.3液滴控制方法

2.6多场耦合算法及模型验证

2.7本章小结

第3章 多物理场交互作用及对液滴运动特性的影响

3.1多物理场对流场的作用

3.2多物理场对电场的作用

3.3流场对液滴轨迹的影响

3.3.1层流和湍流

3.3.2流速

3.4电场对液滴轨迹的影响

3.4.1电压

3.4.2线径

3.4.3电荷数

3.5液滴粒径对液滴轨迹的影响

3.6本章结论

第4章 电流体动力学下的液滴运动行为

4.1离子风效应

4.1.1离子风研究现状

4.1.2离子风模拟的实现形式

4.1.3离子风对流场的影响

4.1.4离子风对液滴运动的影响

4.2变入口宽度及其影响

4.2.1变入口宽度流场分析

4.2.2变入口宽度对液滴轨迹的影响

4.3电流体动力学下的变入口宽度问题

4.4本章结论

总结与展望

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果及发表的论文

声明

致谢