微顆粒捕集增效裝置中圓柱擾流流場特性研究

許銓安, 吳 金，劉含笑, 何德源，郭 瀅

(浙江菲達環(huán)保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800)

資源與環(huán)境

微顆粒捕集增效裝置中圓柱擾流流場特性研究

許銓安, 吳 金，劉含笑, 何德源，郭 瀅

(浙江菲達環(huán)保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800)

圓柱擾流是微顆粒捕集增效裝置擾流區(qū)的主要動力源，探討單圓柱擾流、雙圓柱擾流及多圓柱擾流的流場特性，為正確認識圓柱擾流的流場特性及規(guī)律，對該裝置的結構優(yōu)化及性能提升均具有重要意義。

PM2.5；燃煤電廠；數(shù)值模擬；Strouhal數(shù)

近年來，我國霧霾天氣頻發(fā)，PM2.5是致霾的主因之一，而燃煤又是PM2.5主要污染源之一。微顆粒捕集增效技術采用雙極荷電和湍流凝并的原理，將細顆粒凝并為大顆粒后高效脫除，是目前國內(nèi)外研究的熱點技術，該裝置安裝于電除塵器之前，其擾流區(qū)通過擾流裝置的擾流作用，產(chǎn)生不均勻的湍流流場，因此，正確認識圓柱擾流的流場特性及規(guī)律，對該裝置的結構優(yōu)化及性能提升均具有重要意義。

1 圓柱擾流涉及的重要參數(shù)

對于圓柱擾流來說，涉及的重要參數(shù)主要有曳力系數(shù)、升力系數(shù)和Strouhal數(shù)等，計算公式如(1)～(2)。

曳力系數(shù)：

(1)

升力系數(shù)：

(2)

Strouhal數(shù)：

(3)

上式中：Fd為圓柱受到x方向的拖曳力；ρ為流體密度；u為來流速度；D為圓柱直徑；Fl為圓柱受到z方向的橫向力；f為一對渦的瀉渦頻率。

另外一個重要參數(shù)是Re，對于單個擾流柱來說，隨著Re變化，流場有明顯的變化規(guī)律，如圖1所示。如當Re<5時，無旋渦產(chǎn)生，與理想流體的繞流對稱性相似；53.5×106時，湍流渦街再次出現(xiàn)，此時為超臨界Re數(shù)范圍。

圖1 單圓柱擾流隨著Re變化規(guī)律

2 單擾流柱流場特性

計算單擾流柱的升力、阻力系數(shù)的時程曲線如圖2所示，隨雷諾數(shù)Re增大，阻力、升力系數(shù)的振幅相應增大，振動次數(shù)增多。

圖2 阻力、升力系數(shù)的時程曲線

以Re=1.54×104為例，不同時刻的渦量等值線如圖3所示。渦街程對稱分布，且隨渦街脫落，圓柱兩側不對稱分布，且渦碰壁面后碎成多個小渦。

圖3 渦量等值線圖

3 雙擾流柱流場特性

鑒于微顆粒捕集增效裝置內(nèi)圓柱擾流不同的排列方式，可分為串聯(lián)(工況A)、并聯(lián)(工況B)、傾斜布置(工況C)三種，如圖4所示。

圖4 雙圓柱不同排列方式

基于LES湍流模型，計算雙擾流柱湍流流場瞬參數(shù)云圖如圖5所示，就湍流粘度的量值及分布區(qū)域綜合考慮，直接串聯(lián)布置(工況A)的方式湍流效果較差，并聯(lián)布置(工況B)時渦街呈對稱分布，擾流效果較好，當圓柱錯列布置(工況C)時，湍流效果次之。

圖5 各工況湍流粘度云圖

4 多擾流柱流場特性

圖6 多擾流柱流場渦量

基于LES湍流模型，模擬流場的瞬時參數(shù)，多圓柱擾流區(qū)流場渦量如圖6所示。擾流效果佳，且存在明顯渦街脫落。圖7為各個圓柱在流場中所受曳力、升力時程曲線，兩個作用力系數(shù)均程規(guī)律性周期變化，且前排圓柱擾流柱的曳力、升力系數(shù)波動幅度明顯小于后排，這主要是因為前排圓柱的來流速度及方向相對均勻，經(jīng)圓柱擾流后流場中有周期性的渦街脫落，再經(jīng)后排圓柱擾流后，進一步提高了渦街能量。

圖7 阻力、升力系數(shù)的時程曲線

5 結語

圓柱擾流是微顆粒捕集增效裝置擾流區(qū)的主要動力源，探討單圓柱擾流、雙圓柱擾流及多圓柱擾流的流場特性，為正確認識圓柱擾流的流場特性及規(guī)律，對該裝置的結構優(yōu)化及性能提升均具有重要意義。但應重新討論特殊條件下，如狹長區(qū)間或固定界面條件下，圓柱擾流的流場特性，及各流場參數(shù)，尤其是strouhal數(shù)等參數(shù)的關系及規(guī)律。

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(本文文獻格式：許銓安,吳 金，劉含笑，等.微顆粒捕集增效裝置中圓柱擾流流場特性研究[J].山東化工,2017,46(15):166-168.)

The Flow Field Characteristics Study of Cylindrical Vortex in Micro Particle Capture Device

XuQuan'an，WuJin，LiuHanxiao,HeDeyuan,GuoYing

(Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co.,Ltd,Zhuji 311800,China)

Cylindrical turbulence wass the main source of power of disturbed flow area in micro particle capture efficiency device ,single cylinder disturbed flow,double cylinder disturbed flow and more cylindrical vortex flow field characteristics was done,which shows great significancefor for the correct understanding of cylindrical flow field characteristics and regularity of turbulence,structure optimization and performance improvement of the device.

PM2.5; coal-fired power plant; numerical modeling; Strouhal number

2017-05-21

許銓安(1964—)，男，浙江諸暨人，高級工程師，浙江菲達環(huán)保科技股份有限公司副總經(jīng)理；通訊作者：劉含笑(1987—)，山東濰坊人，碩士，主要從事燃煤電站PM2.5捕集增效與優(yōu)化技術研發(fā)工作。

X513

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1008-021X(2017)15-0166-03