管式电除尘器内部细颗粒流动数值模拟

北极星环保网讯:摘要:为了进一步探究电除尘器内颗粒的流动对除尘效率的重大影响,采用k-ε湍流模型和离散相模型对电除尘器内部颗粒流动进行了多组工况的数值模拟。利用用户自定义函数(UDF)编辑电场荷电方程并建立电场受力模型,简化了模拟流程,并优化了模拟数据。

通过流场与电场的耦合计算,研究并分析了不同进出口风速对、颗粒直径以及电压等因素对除尘效率的影响。结果表明:电压和粒径恒定时,随着进口风速增加,颗粒滞留时间减少,荷电量不足,颗粒偏移运动越加不明显,除尘效率降低。当电压和进口风速恒定时,由于粒径的平方与颗粒荷电量成正比,所以粒径越大,颗粒荷电量越大,除尘效率变化越高。

在进口风速与粒径恒定时,荷电量与电晕电压成正比,电压越大,荷电量越大颗粒受电场力而向收尘壁运动越明显,从而收尘除尘效率明显增加。

关键词:除尘效率;颗粒;风速;电压;偏移

近些年来,全球范围内的雾霾现象越来越严重,它对社会发展、环境保护和人们日常生活以及健康等诸多方面有着极其不利的影响。究其来源主要是大型工厂烟气、灰尘中的细颗粒。国内外研究员们对于如何提高大型工厂中电除尘器除尘效率的课题已经有了比较深入的研究和认识。

龙正伟[1]针对静电除尘器的模拟建立了三维物理模型,更好的分析电除尘器内部流场分布以及颗粒电荷特性与除尘效率的关系;朱继保[2]研究了在如何控制二次扬尘、优化电源、复合除尘技术等方面因素来提升除尘效率;Talaie等[3]人提出了一种能够计算出电晕极板的半径增加率和电晕边缘的离子密度电场计算模型,同时还指出了Choi[4]计算网格太细,没有基于基本的物理事实等不足之处。Ivancsya[5]研究了静电除尘器内多种分散尘粒的特性,采用了多相颗粒的模型,并与单种颗粒的计算结果进行了比较。

本文利用GAMBIT建模并进行网格划分,然后将模型导入FLUENT,针对风速、颗粒直径、电压等因素进行了多组工况的数值模拟。其中,气相流场采用了k-ε湍流模型,颗粒相采用DPM模型。利用UDF编辑电场荷电方程,并建立了电场受力模型。UDF编辑成的电场受力模型不仅便捷了模拟流程,而且优化了模拟数据。针对电场与流场的耦合计算结果,对比分析三种进气口风速,三种颗粒粒径以及三种电压下研究颗粒流动变化规律,以及这些规律对除尘效率的影响。

1数学模型与数值模拟方法

1.1流场模型

在电除尘器中,除尘是一个气固两相流动并相互作用的过程,气体的流动带着悬浮着的颗粒运动。

湍流流动可以通过气体质量守恒方程和气体动量守恒方程来求解。

气体质量守恒方程:

1.2电场模型

电除尘器中颗粒荷电方式一般有两种,一种是扩散荷电(主要针对小于1μm的颗粒);另一种是电场荷电(主要作用于大于1μm的颗粒)。本次主要模拟颗粒粒径为1μm,5μm,10μm这3种工况。为了简化模拟过程,忽略颗粒扩散荷电的影响。

由于所选择的物理模型中没有电场力这个物理量,所以建立电场受力模型一般有两种方法。一种是利用FLUENT中隐藏模型中的磁流体模型(MHD)建立电场模型,另一种是UDF编辑电场模型。

第一种方法使用复杂,只能模拟简单低压匀电场,不能体现颗粒受电场力的具体变化,局限性较大;第二种UDF编辑的方法是将作用到颗粒上的电场力以电场荷电方程的形式呈现,不仅能调节颗粒在空间电荷区内部的所受电场力大小,不再有电压大小的限制,而且还能体现出不同电场荷电方程中颗粒荷电受力情况。这也使得模拟结果更加接近实验数据,符合事实。

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