荷电水雾除尘过程中颗粒运动轨迹的数值模拟

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1、万方数据第32卷第1期2005年北京化工大学学报JoURNAL0FBEIJINGUNIVERSITY0FCHEMICALTECHNOLOGYV01．32．No．12005荷电水雾除尘过程中颗粒运动轨迹的数值模拟袁颖王京刚’(北京化工大学化学工程学院。北京100029)摘要：基于牛顿运动定律，用拉格朗日法推导出了粉尘粒子在荷电水雾除尘过程中的轨迹方程，建立了单个粒子运动轨迹的数学模型。基于MATu咀自行设计了颗粒轨迹可视化软件包，利用该软件包对所建数学模型进行了计算机模拟，实现了粒子运动轨迹的快速成图。通过数值模拟研究，指出了静电力作用是低速小粒子被捕集的主要

2、因素，证明了惯性碰撞作用及拦截效应在粉尘粒子被捕集过程中的重要作用。模拟试验结果表明该软件包设计合理、适用。关键词：荷电雾滴；粉尘粒子；数值模拟中图分类号：X513荷电水雾除尘技术是雾化的水荷电，通过静电引力等作用与粉尘结合，使粉尘颗粒凝聚变大而去除。该技术具有能耗低、造价低、能够去除呼吸性粉尘、无二次污染的优点，而且可以在不易密封的大面积尘源点除尘，因此从能源和环保方面具有较好的发展前景，广泛应用于矿山、冶金、电力等行业。荷电水雾捕集粉尘的机理比较复杂，前人关于荷电雾滴捕尘方面的研究大多限于试验部分，在理论研究方面非常少。本文建立了粉尘粒子运行轨迹的数学模

3、型，并利用自行设计的模拟软件包，对所建的模型进行数值模拟，使粒子的运动实现可视化。通过对粒子轨迹的数值模拟研究，进一步分析粒子运动规律及捕尘机理。1粉尘粒子运动轨迹的数学模型1．1粉尘粒子受力分析除尘器中的运动为稀疏气固两相流动，忽略粉尘颗粒间的互相作用，则粒子在运行中受力有：黏性阻力Fd，粉尘粒子与雾滴间的静电引力Fi，重量Fg，Magnus力F。[1-3

4、，Basset力Fb[引，压差力Fp，S“fman力F。[34]，粒子附加质量力Fk以及升力FI等。粉尘粒子运动过程中综合受以上各力作用。但收稿日期：2004．04—26基金项目：国家科技部科研院所技术

5、开发研究专项基金项目(国科发财字[2000]536号)第一作者：男，1973年生，硕士生*通讯联系人E—mail：jingg-wang@163．com是有的力对粒子运动影响很小，因此可以忽略一些较次要的受力。由于连续相的密度远远小于粉尘粒子密度(密度比lD。／lDp的数量级为10_3)，与颗粒本身惯性相比压差力、附加质量力以及Magnus力都比较小，计算时可以忽略【51；文献[6]中的研究表明，固相在气相中流动(两相密度比小于0．002)时完全可以忽略BaSSet力的影响；另外由于Suffman力是比较小的侧向力，对于气固两相流计算时也可以忽略[4，71；在

6、计算升力时，对于球形颗粒，升力为0，对于非球形颗粒单个颗粒虽然受到不为零的升力，但颗粒群中由于各个颗粒取向的随机性，这些力互相抵消，所以升力在计算过程中也可以忽略[7]。因此分析粉尘粒子在气相流场中受力时，可只考虑静电力、黏性阻力及粒子重量的作用，其它受力均可忽略不计。1．1．1黏性阻力单个颗粒在流场中阻力为Fd=专兀cDd；ID。『“。一“pI(甜。一“p)(1)1．1．2静电力雾滴与粉尘粒子均荷电时，雾滴对尘粒的静电力为牛器(2)1．1．3重量粉尘颗粒的重量为F92言d；IDpg(3)1．2粉尘粒子的运动轨迹方程采用拉格朗日法先对单个尘粒的运动轨迹进行分

7、析。首先建立如图1所示笛卡儿(彤)坐标系，z轴为垂直地面方向。由粉尘粒子受力分析可知，当万方数据第l期袁颖等：荷电水雾除尘过程中颗粒运动轨迹的数值模拟忽略一些次要的侧向力后，颗粒受力全部在一个平面内，因此粒子的运行轨道在这个平面内。为了方便，选z轴，z轴组成的垂直平面为粒子运动轨迹所在的平面。荷电雾滴与粉尘为相向运动，颗粒和雾滴速度分别为M。和“。，取“o为两者相对速度，“0=“D一“wo图1粉尘颗粒一雾涌坐标不惹图Fig．1C00rdinateofdustparticle—dropletsystem粉尘颗粒在流场中的Lagran百an运动方程可由牛顿第二定

8、律得出m。警=∑F(4)转化为图1坐标系下空间对时间的变换规律，得到粉尘粒子运动轨迹方程为警=一÷‰㈩一)+警(5)孑2一了【“p(z厂“zJ+i(5)当：一上(㈨飞)+婆(6)萨2一了【“p(。厂“z)十i∞)式中，甜p(。)=dz／d￡，“p(：)=d2／d￡分别为粉尘粒子在z轴和z轴方向上的速度；z．为速度松弛时间，E为除了黏性阻力外的其他力在z轴方向分力，R为在2轴方向分力。“，和“：为气流绕雾滴表面流动的速度，该速度可用雾滴表面势流速度表示，由文献[8]给出的绕球流动流函数表达式可求得绕雾滴流动的气流速度为旷薏锄～ro赫(7)旷薏～。嘉差每(8)M

9、，2葛2“o瓦7殍(8)为了以后方便数值求解粒子运动