【摘要】： 可吸入顆粒物(空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于10μm的顆粒物,簡(jiǎn)稱為PM或PM10)已經(jīng)成為大氣環(huán)境污染的突出問題.由于PM的微觀性和其生成、生長(zhǎng)和演變所經(jīng)歷的復(fù)雜物理化學(xué)過程,無論是對(duì)其的采樣和物理化學(xué)特征分析、在燃燒過程中的形成機(jī)理和微尺度動(dòng)力學(xué)演變規(guī)律,還是在自然條件和外加條件下的非線性和非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、各種高效捕集策略的設(shè)計(jì)和優(yōu)化等方面,人們都缺乏足夠的認(rèn)識(shí),特別是缺乏相關(guān)的理論描述和定量描述.本文正是在此背景下,為燃煤PM復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)演變過程(包括碰撞、凝并、破碎、冷凝/蒸發(fā)、成核和沉積等動(dòng)力學(xué)事件)構(gòu)建顆粒群平衡模擬隨機(jī)模型的完整數(shù)值模擬體系結(jié)構(gòu),并以此為平臺(tái)對(duì)靜電除塵器和濕式除塵器的除塵過程、自然環(huán)境中PM的干沉降和濕沉降過程進(jìn)行顆粒群平衡模擬,對(duì)這些除塵機(jī)理進(jìn)行深入分析,最終以此為基礎(chǔ)對(duì)兩種高效PM除塵技術(shù)(靜電增強(qiáng)濕式除塵器和靜電布袋混合除塵器)進(jìn)行可行性分析和運(yùn)行優(yōu)化,為其工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo).本文的研究成果包括: (1)零維顆粒群平衡模擬的隨機(jī)算法 本文引入“加權(quán)虛擬顆�！备拍疃l(fā)展了一種全新的零維顆粒群平衡模擬隨機(jī)算法——多重Monte Carlo (Multi-Monte Carlo, MMC)算法.該算法具有時(shí)間驅(qū)動(dòng)Monte Carlo (MC)、常數(shù)目法和常體積法的特點(diǎn),由于跟蹤數(shù)目較少的虛擬顆粒群而具備適用于工程計(jì)算的計(jì)算代價(jià),由于保持恒定的虛擬顆粒總數(shù)目而具有穩(wěn)定的計(jì)算精度,由于保持恒定的計(jì)算區(qū)域體積和基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)技術(shù)而具有與兩相湍流模型無縫耦合的擴(kuò)展性.特殊工況下MMC算法結(jié)果與相應(yīng)的理論分析解之間的良好吻合,證明該算法能夠以較高計(jì)算精度和計(jì)算效率描述初始單分散性或多分散性顆粒群工況、單動(dòng)力學(xué)事件或復(fù)合動(dòng)力學(xué)事件工況等. 本文首次建立了MC算法對(duì)顆粒尺度分布時(shí)間演變過程描述精度的定量評(píng)判方法.以此為基礎(chǔ),定量比較了時(shí)間驅(qū)動(dòng)直接模擬MC、階梯式常體積法、常數(shù)目法和MMC算法對(duì)于各種動(dòng)力學(xué)事件的描述精度,并定性分析了各種MC數(shù)值誤差的來源和計(jì)算代價(jià)的主要貢獻(xiàn)源.針對(duì)MMC算法所表現(xiàn)的“常數(shù)目誤差”,通過建立“異數(shù)目權(quán)值虛擬顆粒群策略”以及相應(yīng)的“異數(shù)目權(quán)值虛擬顆粒凝并準(zhǔn)則”、在時(shí)間驅(qū)動(dòng)MC中引入接受-拒絕法來數(shù)值實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)Markov過程、發(fā)展“常數(shù)目方案”和“階梯式常數(shù)目方案”來恢復(fù)虛擬顆粒數(shù)目等手段,對(duì)MMC算法進(jìn)行改進(jìn).多種MC算法之間的定量比較表明,改進(jìn)的MMC算法已經(jīng)成為時(shí)間驅(qū)動(dòng)MC中計(jì)算精度和計(jì)算效率最高的算法之一. 基于事件驅(qū)動(dòng)MC對(duì)解藕誤差的免疫及高計(jì)算精度和效率的認(rèn)識(shí),本文發(fā)展了另外一種全新的零維顆粒群平衡模擬隨機(jī)算法——事件驅(qū)動(dòng)常體積(EDCV)法.該算法仍然引入“加權(quán)虛擬顆粒”的概念和保持常體積特征,并把“等數(shù)目權(quán)值虛擬顆粒群策略”和“異數(shù)目權(quán)值虛擬顆粒群策略”、累積概率法和接受-拒絕法、“常數(shù)目方案”和“階梯式常數(shù)目方案”以及“重整方案”等技術(shù)統(tǒng)一在一個(gè)框架下.通過對(duì)多種主流MC的定量比較,證明EDCV法成為目前零維顆粒群平衡模擬中計(jì)算精度和計(jì)算效率最高的隨機(jī)算法之一. (2)多維顆粒群平衡模擬的隨機(jī)算法 通過把描述顆粒動(dòng)力學(xué)演變的改進(jìn)MMC算法與描述兩相湍流場(chǎng)的歐拉-拉氏模型的無縫耦合,首次發(fā)展了一種多維顆粒群平衡模擬的隨機(jī)算法——多維MMC算法.該算法引入網(wǎng)格劃分技術(shù)和設(shè)置合適的時(shí)間步長(zhǎng),采用隨機(jī)過程來判斷碰撞/凝并等動(dòng)力學(xué)事件的發(fā)生、尋找碰撞/凝并伙伴、建立碰撞動(dòng)力學(xué)等.對(duì)細(xì)微顆粒流和粗重顆粒流中顆粒碰撞和凝并過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與直接數(shù)值模擬(DNS)結(jié)果實(shí)現(xiàn)定量上的較好吻合,證明所構(gòu)建的多維多重Monte Carlo算法為四向耦合的兩相湍流模型和多維顆粒群平衡模擬提供一個(gè)高精度和高效率的數(shù)值描述方案.采用所發(fā)展的MC算法考察了軸對(duì)稱突擴(kuò)通道有旋氣固兩相流中顆粒碰撞對(duì)于兩相流場(chǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)顆粒之間的相互碰撞使得顆粒速度和雷諾應(yīng)力重新分配并趨于各向同性,而顆粒湍動(dòng)能及顆粒-流體脈動(dòng)速度關(guān)聯(lián)降低. (3)傳統(tǒng)除塵裝置和自然環(huán)境對(duì)PM的除塵機(jī)理研究 為了理解外加條件對(duì)PM動(dòng)力學(xué)特性的作用機(jī)理,采用事件驅(qū)動(dòng)常體積法對(duì)典型的靜電和濕式除塵器進(jìn)行了顆粒群平衡模擬.發(fā)現(xiàn)靜電力與慣性力的相互競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致0.1~1μm的細(xì)微顆粒難以被靜電除塵器捕集,而布朗擴(kuò)散和慣性碰撞機(jī)制對(duì)0.1~1μm區(qū)間顆粒物影響最小也導(dǎo)致其難以被濕式除塵器的液滴所捕集.對(duì)300MW燃煤鍋爐配備的靜電除塵器進(jìn)口和出口煙塵顆粒進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣,并進(jìn)行實(shí)際靜電除塵器的顆粒群平衡模擬,模擬結(jié)果和是試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到定量的吻合. 為了描述從除塵器逃逸出來的PM在自然環(huán)境中的沉降過程,并借鑒大自然的自身凈化機(jī)制,采用多重Monte Carlo算法對(duì)自然環(huán)境中PM的干沉降和濕沉降過程進(jìn)行數(shù)值模擬.發(fā)現(xiàn)大自然對(duì)0.3μm附近的中等尺度顆粒物難以自身凈化,降雨量的增加有利于各種尺度顆粒物的濕去除,而雨滴幾何平均尺度越小、雨滴幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差越小,越有利于小尺度和中等尺度顆粒物的濕去除,但稍稍不利于大尺度顆粒物的濕去除. (4)高效PM除塵技術(shù)的可行性分析和運(yùn)行優(yōu)化 通過對(duì)自然條件和外加條件下PM動(dòng)力學(xué)演變規(guī)律的認(rèn)識(shí),采用復(fù)合外加條件提高PM的除塵效率.對(duì)兩種高效PM除塵技術(shù)(靜電增強(qiáng)濕式除塵器和靜電布袋混合除塵器)進(jìn)行了顆粒群平衡模擬,并以此為基礎(chǔ)對(duì)這些除塵技術(shù)進(jìn)行了可行性分析.模擬結(jié)果表明兩種除塵技術(shù)均可能達(dá)到99%以上的整體質(zhì)量除塵效率和整體數(shù)量除塵效率.對(duì)靜電增強(qiáng)濕式除塵器的優(yōu)化運(yùn)行分析表明,增大含塵氣流輸運(yùn)速度或減小液滴噴射速度、增大液氣比或液滴荷質(zhì)比、減小液滴幾何平均尺度和幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差(使得噴霧液滴越細(xì)和越均勻),可以提高該種除塵器對(duì)PM的除塵效率.
【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】：2007
【分類號(hào)】：X701.2
【圖文】：

超微米(supermicron)顆粒區(qū), 煙塵顆粒群的尺度范圍從納米量級(jí)甚至跨越到毫米量級(jí).圖1.1為三種美國(guó)煤燃燒產(chǎn)生的煙塵顆粒尺度分布[35]. 燃煤產(chǎn)生的煙塵顆粒三峰分布正好與大氣環(huán)境中 PM 的三峰模態(tài)相對(duì)應(yīng),即 愛 根 核 模 態(tài) (<0.08μm) 、 積 聚 模 態(tài)(~0.08μm-2μm)和粗粒子模態(tài)(>2μm)[40].美國(guó)環(huán)保署的科學(xué)家 Linak[2]曾經(jīng)指出,元素周期表中幾乎所有元素都存在于煤中.燃煤 PM 是煤中各種元素、各種組分、各種賦存形態(tài)混合物在高溫放熱過程中經(jīng)歷一圖 1.1 燃煤產(chǎn)生的顆粒尺度分布

圖 1.2 燃煤飛灰顆粒生成機(jī)理吸入顆粒物動(dòng)力學(xué)演變過程的數(shù)值模擬灰顆粒的動(dòng)力學(xué)演變過程進(jìn)行定量描述將有助于揭示燃燒源一次核、破碎等)、生長(zhǎng)(冷凝、凝并等)、沉積和遷移等機(jī)制, 是建立完善與控制理論和技術(shù)的基礎(chǔ). 但是燃煤產(chǎn)生的飛灰顆粒存在如下顯著特分布復(fù)雜, 尺度譜通常滿足雙峰或三峰分布; ②顆粒尺度譜0μm 跨越 5 個(gè)數(shù)量級(jí); ③飛灰顆粒生成機(jī)理復(fù)雜, 飛灰所經(jīng)歷的動(dòng)力撞、凝并(或團(tuán)聚、凝聚、聚合等)、破碎、異相冷凝/蒸發(fā)(或表面沉、沉積(或捕集、清除等)、化學(xué)反應(yīng)、遷徙等; ④大部分研究以實(shí)驗(yàn)成機(jī)理限于定性描述甚至猜測(cè), 定量描述 PM 形成機(jī)理的理論模型乏, 而且也缺少相關(guān)的化學(xué)、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù).的數(shù)值模擬方法通過隨機(jī)性軌道模型、確定性軌道模型、拉氏 La顆粒的軌道經(jīng)歷效應(yīng)和歷史效應(yīng), 并通過這些詳細(xì)的軌道信息來判的發(fā)生, 如通過兩顆粒的軌道交叉來判斷顆粒碰撞、凝并事件的發(fā)

個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 Markov 過程輪流檢查每顆顆粒是否將要發(fā)生某種類型的事件, 以及選擇發(fā)生該種事件的顆粒(稱為主顆粒), 對(duì)于凝并事件, 該 MC 采用累積概率法(thecumulative probabilities method, 也可稱為倒數(shù)法, the inverse method)實(shí)現(xiàn)凝并伙伴的尋找. 該 MC 首次采用階梯式倍增子系統(tǒng)的方法來恢復(fù)模擬顆粒數(shù)目. 當(dāng)子系統(tǒng)內(nèi)顆粒數(shù)目降為原來一半時(shí), 通過拷貝現(xiàn)有顆粒的復(fù)制體來恢復(fù)子系統(tǒng)內(nèi)顆粒數(shù)目, 雖然這種操作對(duì)隨機(jī)變量的期望值和幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差不會(huì)產(chǎn)生影響, 但是將增大相對(duì)誤差,Liffman[144]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn), 相對(duì)誤差符合如下關(guān)系式 δ<2/N(t)1/2, N(t)為子系統(tǒng)內(nèi)模擬顆粒數(shù)目. 時(shí)間驅(qū)動(dòng) MC 由于解耦過程而導(dǎo)致計(jì)算效率和計(jì)算精度降低, 但由于幾乎所有的兩相湍流模型的數(shù)值求解均是基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)的模式, 所以它存在考慮顆粒尺度分布空間擴(kuò)散以及顆粒拉氏軌跡跟蹤的友好擴(kuò)展性.

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 王小倩;劉志強(qiáng);劉良泉;;冰漿存儲(chǔ)期間冰晶演化研究進(jìn)展[J];制冷與空調(diào)(四川);2012年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 柳冠青;范德華力和靜電力下的細(xì)顆粒離散動(dòng)力學(xué)研究[D];清華大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 劉含笑;燃煤超細(xì)顆粒物渦聚并數(shù)值模擬[D];華北電力大學(xué);2012年

2 李懷亮;燃煤超細(xì)顆粒物聚并數(shù)值模擬研究[D];華北電力大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2751963