荷电液滴捕集颗粒物机理和特性的研究

摘要

颗粒物污染严重影响公共健康和经济发展，我们国家尤为严重。大气颗粒污染物成分复杂，区域分布差异性明显，从源头上限制颗粒物排放是治理颗粒物污染的最有效途径之一。静电喷雾降尘是一种结合传统喷雾除尘和静电除尘的新技术，能够高效脱除烟气等排放源中的颗粒物，尤其是PM10和PM2.5等细颗粒物，具有良好的应用前景。静电喷雾降尘过程涉及气-液-固多相流动及多场耦合等问题，降尘机理十分复杂，基础理论尚不完善。本文以此为背景，对荷电液滴捕集颗粒物过程中颗粒在气相介质中的运动、颗粒与液滴自由界面的相互作用等问题进行了实验和数值模拟研究，旨在为静电喷雾降尘技术的发展提供必要的理论基础。本文的研究工作主要包括：
　　1.对荷电液滴捕集颗粒物的过程进行了可视化研究。利用高速数码摄像结合显微放大技术捕捉了悬垂荷电液滴吸附颗粒物过程。获得了颗粒在气相介质中运动的瞬时受力和荷电量等关键参数对颗粒物运动的影响规律，同时为数值模拟研究提供必要的实验数据。
　　研究了颗粒物撞击荷电液滴的动力学行为。颗粒撞击荷电液滴有几率出现反弹现象。研究首次发现颗粒对荷电液滴的撞击角小于85°时反弹概率接近50％。颗粒倾斜撞击荷电液滴产生的切向速度分量能够极大地削弱由液滴表面提供的粘附力，并且倾斜撞击也会降低颗粒的法向撞击速度，减小其润湿面积，进一步削弱粘附力作用，致使颗粒极易脱离液滴表面。颗粒脱离后极性与液滴相反，受库仑斥力影响被排斥逃逸。
　　研究了荷电液滴捕集颗粒微团的机理和特性。通过观察捕集过程中颗粒微团的动力学行为，发现荷电液滴对颗粒微团的捕集效率较低。颗粒微团较大的体积使其在运动过程中吸收大量气体电离产生的空间自由电荷，导致部分颗粒微团极性与荷电液滴一致，在到达液滴表面以前受库仑斥力作用被排斥逃逸。到达液滴表面的颗粒微团由于结构松散，在撞击液面后解体，大部分子颗粒被排斥逃逸。另外，颗粒微团在气相介质运动的过程中出现了“同极性相互吸引”现象，即大小不同但极性相同的颗粒微团首先聚并，然后向荷电液滴运动。本文推导了同极性颗粒微团相互聚并的临界条件。
　　2.对荷电液滴捕集颗粒物过程进行了数值模拟研究。以实验研究为基础，综合考虑颗粒的粘附、反弹和浸入等动力学行为，建立了基于欧拉-拉格朗日方法的荷电液滴捕集颗粒物模型。数值模拟了悬垂荷电液滴捕集颗粒物过程并与实验结果进行对比，验证了模型的有效性。对气流作用下荷电液滴捕集颗粒物过程的多相流场进行了数值模拟，探讨了斯托克斯数(St)和库仑数(Kc)对荷电液滴捕集能力的影响，给出了荷电液滴高效捕集颗粒物的参数区间。
　　3.对颗粒物在荷电液滴表面沉积特性进行了可视化研究。首次利用设计的实验装置观察了荷电液滴经自由落体捕集颗粒物并在载玻片上铺展后颗粒物的沉积情况。分析了液滴下落高度和荷电量等关键参数对颗粒物沉积特性的影响。研究发现，与非荷电工况相比，荷电液滴对颗粒物的捕集量高一个数量级以上；被捕集颗粒在液滴表面受毛细力影响会出现相互吸引现象，即液滴表面颗粒物发生明显团聚；液滴的迎风面为主要捕集区域，但颗粒物实际沉积区域小于液滴的半球面；在有限的雷诺数范围内，液滴对颗粒物的吸附量与其荷电量呈线性比例关系。
　　4.对温度场作用下荷电液滴的蒸发特性进行了数值模拟研究。利用漏电介质(Leaky dielectric)假说建立了基于VOF方法的高温条件下荷电液滴蒸发模型。从静电场和温度场对液滴内部流场的影响角度预测了高温条件下荷电液滴的蒸发特性，即静电场能够抑制高温条件下液滴内的紊流，减小液相介质的流动速度，降低液滴内的热量传递速率，延长液滴在高温环境中的生存时间。

目录

声明

符号表

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 课题提出

1.3 国外静电喷雾降尘研究现状

1.4 国内静电喷雾降尘研究现状

1.5 本文主要研究工作

第二章 静电雾化及捕集颗粒物的基础理论

2.1 液滴产生

2.2 液滴荷电

2.3 颗粒物荷电

2.4 液滴捕集颗粒物方式

2.5 颗粒受力

2.6 颗粒撞击液滴后的运动特性

2.7 本章小结

第三章 颗粒物撞击荷电液滴的实验研究

3.1 实验装置及方法

3.2 颗粒运动特性分析

3.3 颗粒在荷电液滴表面的沉积特性

3.4 本章小结

第四章 荷电液滴捕集颗粒物的数值模拟研究

4.1 颗粒对荷电液滴撞击角的数值模拟研究

4.2 颗粒对荷电液滴撞击反弹的数值模拟研究

4.3 本章小结

第五章 颗粒物在荷电液滴表面沉积特性的实验研究

5.1 实验装置的设计

5.2 液滴尺寸的选择

5.3 液滴荷电量的测量

5.4 荷电液滴颗粒捕集量的评测

5.5 颗粒物在液滴表面的沉积

5.6 本章小结

第六章 高温环境下荷电液滴蒸发的数值模拟

6.1 数值模型和控制方程

6.2 模拟结果与讨论

6.3 本章小结

第七章 全文工作总结和研究展望

7.1 全文工作总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士期间的科研情况