放電極結(jié)構(gòu)對流場影響的模擬研究

李文靜

（新南威爾士大學(xué) 澳大利亞新南威爾士州 4385）

1 簡介

在凈化工業(yè)煙氣領(lǐng)域中，靜電除塵器（ESP）作為一種利用電力作用分離含塵氣體中固體或液體粒子的裝置，憑借其效率高，能耗低的特點在冶煉、化工、建材、電力等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但由于靜電除塵器是一個密閉結(jié)構(gòu)，難以觀察到具體的除塵過程，并且粉塵在靜電除塵器內(nèi)的運動軌跡十分復(fù)雜，越來越多的研究人員通過計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）對靜電除塵過程進(jìn)行模擬分析。

目前較為常用的商用CFD 軟件是FLUENT 軟件，它專門用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動問題與熱交換問題[1]。近年來，國內(nèi)外已經(jīng)開展了許多針對于線板式靜電除塵器的CFD 模擬計算。張建平等人[2]采用Gambit 和Fluent 數(shù)值模擬分析了不同離子風(fēng)和磁場環(huán)境下中位粒徑對靜電除塵器除塵效率的影響。Niloofar Farnoosh 等人[3]利用FLUENT 軟件對單電暈極的線板式靜電除塵器進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，來研究固定電場條件下離子風(fēng)與主氣流之間相互作用的氣流模式以及顆粒的運動軌跡和沉積。本文中同樣利用FLUENT 軟件對電極上帶有不同對數(shù)芒刺的線板式靜電除塵器的除塵過程進(jìn)行了模擬，分析不同芒刺數(shù)量對顆粒軌跡和除塵效果造成的影響。

2 FLUENT模型

2.1 幾何模型及參數(shù)

本文中建立的物理模型（圖1所示）長度為0.6m，寬度為0.17m，高度為0.1m，電暈線厚度為1mm，尖端長度為10mm。本文利用Gambit 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對邊界、電暈極附近及對稱面上進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分。

2.2 數(shù)值模型的建立

在線板式靜電除塵器中，為建立電場模型，采用泊松方程和電流連續(xù)性方程描述離子電荷密度和電場強(qiáng)度。本文對靜電除塵器內(nèi)氣相的模擬采用湍流模型。考慮到計算資源和計算容量以及關(guān)注的實際除塵問題，本文采用雷諾平均方法(RANS)，將除塵器內(nèi)的介質(zhì)流動視為不可壓縮流體的等溫定常流動，并采用FLUENT 軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型進(jìn)行運算。

2.3 邊界條件設(shè)定

選用速度入口邊界條件，在進(jìn)行靜電除塵器中的氣固兩相流模擬計算時，空氣和粉塵粒子混合氣體從入口處以0.6m/s 的速度進(jìn)入除塵器，粉塵粒子直徑取0.1μm、0.25μm、0.5μm、1μm、10μm。電暈線運行電壓為30kV，線板間距為0.085m。湍流強(qiáng)度設(shè)定為2%，粘性比為5。選用壓力出口邊界條件，湍流強(qiáng)度設(shè)定為2%，粘性比設(shè)定為5。壁面邊界條件為光滑、絕熱、無滑移。電場邊界等具體的邊界條件設(shè)定如表1所示。

圖1：線板式靜電除塵器物理模型示意圖

圖2：具有1-4 對尖端的ESP 內(nèi)z=0 方向上的速度矢量圖

圖3：粒徑與除塵效率關(guān)系曲線

3 結(jié)果與分析

3.1 尖端數(shù)對流場的影響

將同一粒徑大小的粉塵在入口平面上均勻釋放，利用FLUENT軟件繪制粉塵在具有不同數(shù)目尖端的ESP 內(nèi)z=0 平面上的速度矢量圖（如圖2所示）。很顯然，在具有一對尖端的ESP 中顆粒的速度分布較為均勻。受電場力影響，粉塵速度在尖端處最大，在除塵器內(nèi)其他位置速度大小幾乎相同。在靠近入口的尖端附近，以兩尖端頂點連線為對稱軸出現(xiàn)了兩個上下對稱的反向渦流，這是由于尖端附近的電場力非常大，推動粉塵粒子向氣流的反方向運動。而粉塵粒子的較大位移會加劇氣流的湍流程度，湍流脈動使一部分粒子的運動時間變長，一部分粒子的運動時間變短，甚至使部分粉塵粒子無法沉降到收塵板上。總體而言，氣流在具有一對尖端的除塵器內(nèi)分布均勻，充滿了整個靜電除塵器內(nèi)部。

在具有兩對和三對尖端的靜電除塵器內(nèi)，速度在尖端處增大，氣流在靠近入口的尖端附近，以每對尖端頂點的連線為對稱軸形成一對上下對稱的反向渦流，即兩對尖端形成4 個渦流，三對尖端形成6 個渦流。但在具有兩對以上尖端的ESP 內(nèi)，氣流在經(jīng)過電暈極后有向中心集中的趨勢，在后半部分的收塵板附近的速度矢量減少，這可能是放電極上的電場過于集中導(dǎo)致的，并且這一現(xiàn)象將對粉塵粒子的捕集產(chǎn)生不利的影響。

在具有四對尖端的靜電除塵器內(nèi)，尖端處的速度明顯大于其他位置的速度，氣流在靠近入口的尖端附近，以x=0 為對稱平面形成4 個反向的渦流，上方的兩個渦流為順時針方向，下方的兩個渦流為逆時針方向。在第二對和第三對尖端之間沒有形成渦流，這是尖端之間電場力相互影響與抵消的結(jié)果。從圖中也可以看出，在經(jīng)過電暈極后，第一對和第四對尖端電極對氣流的推動作用比第二對、第三對大的多，說明在具有四對尖端的靜電除塵器中，尖端之間的相互影響非常劇烈。

表1：邊界條件設(shè)定

表2：粒徑與尖端對數(shù)對除塵效率的影響

3.2 尖端數(shù)對除塵效率的影響

表2 和圖3 對比了具有不同尖端數(shù)的靜電除塵器對不同粒徑顆粒的除塵效率，可以看出，具有不同數(shù)目尖端的靜電除塵器對粒徑為0.1、0.25、0.5 和1μm 顆粒的除塵效率都不高于50%，而對10μm 顆粒的除塵效率幾乎都達(dá)到了90%以上，說明具有尖端電暈極的靜電除塵器對于大顆粒的除塵效果較好。這是由于對于粗粉塵而言，顆粒荷電的方式主要是電場荷電。根據(jù)顆粒電場荷電方程，顆粒荷電量正比于粒徑，且電場力F=qE，因此電場力也正比于粒徑。粉塵粒徑越大，受到的電場力就越大，除塵效率越高。對于細(xì)粉塵而言，顆粒荷電的方式主要是擴(kuò)散荷電，靜電除塵器的除塵效率隨粒徑增大而降低，這一點與模擬得到粒徑為0.1～0.5μm 顆粒的除塵效率變化趨勢相吻合。

對于同一大小的顆粒，具有三對尖端的靜電除塵器的除塵效率最高，具有一對尖端的靜電除塵器的除塵效率最低。這是由于一對尖端的電荷密度不夠大，導(dǎo)致除塵效率提升的范圍不大；而四對尖端之間的相互影響太劇烈，反而使除塵效率降低。總體而言，粒徑與除塵效率的關(guān)系曲線趨勢與預(yù)測的相同。

4 結(jié)論

本文建立了具有不同數(shù)目尖端的靜電除塵器的數(shù)值模型和幾何模型，并通過FLUENT 軟件構(gòu)建了合適的控制方程和邊界條件，對其進(jìn)行了模擬計算，從而得出了不同尖端數(shù)對靜電除塵器內(nèi)流場分布、顆粒運動軌跡和除塵效率的影響。

電場對流場具有影響，其表現(xiàn)形式為離子風(fēng)，具體表現(xiàn)形態(tài)為渦流。上文中闡述的模擬結(jié)果表明4 對尖端對彼此之間的影響比1-3對尖端大得多。除此以外，本文中計算了具有不同數(shù)目尖端的靜電除塵器對粒徑為0.1、0.25、0.5 和1μm 顆粒的除塵效率，對比發(fā)現(xiàn)：對于同一粒徑的粉塵粒子，具有三對尖端的除塵器除塵效果最好，具有一對尖端的除塵器除塵效果最差；對于同一尖端數(shù)的除塵器，針對粒徑為10μm 顆粒的除塵效果最好，針對粒徑為0.5μm 顆粒的除塵效果最差。