【摘要】：我國以煤等化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)和工業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致可吸入顆粒物(粒徑在10微米以下的懸浮顆粒物)成為最主要的大氣污染物。布袋除塵器由于具有高效的顆粒物脫除能力,低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于燃煤電廠、采礦/水泥工業(yè)等。布袋除塵器的過濾過程涉及多種捕集機(jī)制,并且除塵過程中顆粒的沉積和除塵器的堵塞還會(huì)造成捕集效率和系統(tǒng)壓降的動(dòng)態(tài)變化,因此布袋纖維對(duì)懸浮顆粒的過濾過程十分復(fù)雜。本文建立了格子Boltzmann(LB)氣固兩相流模型,并以此作為研究不同纖維捕集顆粒物過程的工具,深入研究了具有不同形狀及布置方式的纖維過濾器的穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)捕集顆粒過程,為細(xì)致理解纖維的除塵機(jī)理和纖維除塵器的優(yōu)化等奠定了理論基礎(chǔ)。本文的主要工作包括： (1)利用格子Boltzmann方法模擬流場(chǎng),采用元胞自動(dòng)機(jī)的思路模擬顆粒運(yùn)動(dòng),點(diǎn)源顆粒被限制在與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相同的規(guī)則格了點(diǎn)上遷移,通過隨機(jī)方法來決定流體曳力、布朗力等作用下顆粒的運(yùn)動(dòng)方向和位置,發(fā)展了格了Boltzmann-元胞自動(dòng)機(jī)(LB-CA)概率模型。該模型可以方便地考慮顆粒-流體雙向耦合、顆粒在流場(chǎng)中的隨機(jī)軌道、動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜邊界條件和并行計(jì)算。通過對(duì)經(jīng)典的后臺(tái)階氣固兩相流實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬,并與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及其他模型結(jié)果比較,證明了LB-CA模型優(yōu)于常規(guī)的雙流體模型,并可以達(dá)到大渦模擬(LES)氣固兩相流模型的精度。 (2)利用LB-CA模型模擬圓形和非圓形截面(包括橢圓、矩形、三角形、三葉型、十字形等)纖維捕集顆粒物過程。其中,圓形纖維模擬結(jié)果和已有的理論或經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)值以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,證明LB-CA模型非常適合纖維捕集顆粒這種具有動(dòng)態(tài)邊界條件以及流體-顆粒-纖維/沉積物多向耦合特征的氣固兩相流工況。對(duì)于非圓形截面纖維,比較了在各種捕集機(jī)制下不同布置方式對(duì)捕集性能的影響,為新型纖維除塵器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。模擬發(fā)現(xiàn),與同體積分?jǐn)?shù)圓形截面纖維的捕集效率相比,異形纖維通常具有更大的捕集范圍,因此具有更大的擴(kuò)散捕集效率,且擴(kuò)散捕集效率與長短軸之比成正比,而與放置角度無關(guān)；而對(duì)于受慣性碰撞和攔截機(jī)制主導(dǎo)的顆粒,異形纖維的捕集效率主要決定于纖維迎風(fēng)面積,與放置角度和長短軸之比均相關(guān),且需要優(yōu)化纖維配置才可能高于圓形截面纖維的捕集效率。在準(zhǔn)確數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,基于萊溫伯格-馬卡特方法對(duì)各種工況下(不同的捕集機(jī)制主導(dǎo)、不同的橢圓纖維長短軸比、不同的放置角度、不同的纖維體積分?jǐn)?shù)等)模擬結(jié)果進(jìn)行擬合,得到了簡單易用的橢圓截面纖維系統(tǒng)壓降和捕集效率的經(jīng)驗(yàn)公式,并與少數(shù)可用的其他模型進(jìn)行比較,驗(yàn)證了這些經(jīng)驗(yàn)公式的可用性。 (3)利用LB-CA模型對(duì)纖維層捕集顆粒物過程進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了不同纖維配置方式及排列間距下系統(tǒng)壓降與捕集效率的變化。通過性能參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn),雖然錯(cuò)列纖維系統(tǒng)壓降大于并列纖維,但是其性性能仍然優(yōu)于錯(cuò)列纖維,尤其是對(duì)較大慣性顆粒的捕集。在相同纖維填充率條件下,來流方向間距越大的過濾器捕集效率越高,但是壓降也越高,最終會(huì)導(dǎo)致性能的下降。通過研究不同位置纖維對(duì)捕集過程的貢獻(xiàn),為優(yōu)化纖維布置方式提出建議。本文也首次對(duì)纖維層過濾器捕集顆粒物的非穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行了模擬,研究了不同位置纖維表面枝簇結(jié)構(gòu)的生長、相互接觸的過程,同時(shí)考察枝簇結(jié)構(gòu)對(duì)捕集效率、壓降以及各纖維捕集貢獻(xiàn)的影響,發(fā)現(xiàn)對(duì)于并列纖維,前排纖維的遮效應(yīng)明顯,而對(duì)于錯(cuò)列纖維,由于前排纖維的導(dǎo)流效應(yīng),第二排纖維的捕集貢獻(xiàn)最大。 (4)從實(shí)際濾布的真實(shí)結(jié)構(gòu)以及實(shí)際過濾過程中的多分散顆粒尺度分布出發(fā),研究了三維情況下纖維過濾器捕集顆粒物的過程,并詳細(xì)討論了沉積顆粒形成的枝簇結(jié)構(gòu)的生長過程及其結(jié)構(gòu)特征。模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)布朗擴(kuò)散主導(dǎo)顆粒沉積時(shí),纖維表面枝簇的孔隙率呈單峰分布,且平均孔隙率與荷塵量呈反比,而當(dāng)多分散顆粒群的纖維捕集過程有多個(gè)沉積機(jī)制主導(dǎo)時(shí)(如布朗擴(kuò)散機(jī)制主導(dǎo)小尺度顆粒,而攔截機(jī)制主導(dǎo)中等尺度顆粒),形成的枝簇結(jié)構(gòu)的孔隙率呈雙峰分布,且平均孔隙率與荷塵量呈指數(shù)關(guān)系。荷塵過程中壓降和捕集效率均隨荷塵量的增加而增加,且壓降與荷塵量之間滿足指數(shù)關(guān)系,而基于數(shù)目和基于質(zhì)量的捕集效率均隨荷塵量的增加逐漸達(dá)到穩(wěn)定,但是基于質(zhì)量的捕集效率往往大于基于數(shù)目的捕集效率,這說明纖維對(duì)小尺度顆粒的捕集效率仍然低于大尺度顆粒。 總之,LB-CA模型是一個(gè)研究纖維捕集顆粒過程的有力工具。相比于其他模型,它除了能夠準(zhǔn)確模擬穩(wěn)態(tài)捕集過程之外,還能夠較好的描述考慮顆粒沉積的非穩(wěn)態(tài)過程,得到沉積顆粒枝簇結(jié)構(gòu)的生長過程以及系統(tǒng)壓降、捕集效率的動(dòng)態(tài)變化。本文通過考察不同性質(zhì)顆粒在不同形狀及排列方式纖維除塵器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特征,闡明了纖維配置、顆粒屬性、流場(chǎng)屬性與捕集性能之間的相關(guān)關(guān)系,研究結(jié)果為布袋除塵器的纖維配置方式的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：X701;TK12

【參考文獻(xiàn)】

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