擾流件排列對亞微米顆粒湍流團聚效率影響研究

李正鴻，劉鶴欣，楊富鑫，馮 鵬，譚厚章

(西安交通大學 熱流科學與工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710049)

0 引 言

細顆粒物是導致霧霾天氣的主要原因，近年來，細顆粒物污染已成為社會關注的重點問題，特別是當量動力學直徑小于1 μm的亞微米顆粒(PM1)能夠在空氣中長時間懸浮和遠距離輸送，且由于其顆粒粒徑小，比表面積大，易直接或間接吸附空氣中的重金屬和其他有毒物質進入人體，危害人類健康[1-2]。而燃煤工業是細顆粒物排放的主要來源之一。目前電廠常用的除塵設備有電除塵裝置、布袋除塵裝置、濕法除塵裝置及傳統除塵設備等，其中靜電除塵裝置具有能耗低、效率高、煙氣處理量大、技術成熟等優點，應用最廣泛。靜電除塵器裝置除塵效率高達99.9%，但由于其荷電機理，對亞微米顆粒，特別是0.1～1 μm顆粒存在穿透窗口，脫除效率不高。亞微米顆粒物的團聚技術可以促進煙氣中顆粒的碰撞黏附，減少顆粒數量，增大顆粒平均粒徑，是提高亞微米顆粒脫除效率的有效措施，目前常用的團聚技術有湍流團聚、聲團聚、化學團聚、磁團聚、相變團聚等以及各種耦合團聚方法[3-7]。湍流團聚方法簡單、高效、易于推廣，易與其他團聚方法耦合，湍流團聚技術的研發具有理論與現實意義。

大量學者對湍流團聚技術進行探索，1956年，Saffman和Turner[8]首次基于球碰撞概念提出了精確的超細顆粒(顆粒Stockes數Stk=0)的碰撞-團聚方程模型，但其模擬只是基于理想的均勻各向同性簡單的湍流運動，有很大的局限性；Abrahamson等[9]在分子混沌理論假設條件下得到了大慣性顆粒(Stk=∞)的湍流團聚方程模型；湍流作用對有限慣性顆粒團聚的影響包括湍流輸運效應和局部富集效應2方面；Williams & Crane等[10]從牛頓第二定律出發，分析顆粒的受力情況，考慮湍流的加速作用和剪切作用，試圖得到在考慮湍流輸運效應情況下的有限慣性顆粒湍流團聚方程模型；Kim等[11]對多分散納米級顆粒進行了湍流團聚研究，湍流的能量越大，顆粒越容易受影響,從而使流場中細顆粒產生團聚現象；Sercan等[12]對三角柱后方流動結構進行研究，發現三角擾流柱后方出現渦流后會使湍流場中擾動性更強。國內學者對湍流團聚效率的研究也很多，陳亞偉等[13]考慮了煙氣流速對湍流渦旋及團聚效率的影響；章鵬飛等[14]對裝置元件排列間距和顆粒濃度對超細顆粒物湍流團聚的影響進行數值模擬；劉忠課題組[15-16]針對擾流裝置形狀，排列方式、間距等做了大量工作，模擬了不同條件下的湍流流場情況。此外，2002年澳大利亞Indigo公司首次開發出了包括雙極靜電和湍流團聚的商業顆粒物凝聚器，并進行了相關試驗；孫德帥等[17]在可吸入顆粒團聚室中引入氣體射流，并以撞擊式采樣器和激光粒子計數器測量可吸入顆粒團聚前后質量與數量變化來評價顆粒的團聚效率。然而由于亞微米顆粒的團聚過程復雜且沒有較好的觀測手段，湍流團聚的試驗研究還有所欠缺，特別是數量濃度方面的研究等。

本文研究不同擾流件大小、排列方式對湍流團聚效率的影響規律。搭建亞微米顆粒湍流團聚試驗臺，利用掃描電遷移率粒徑譜儀(SMPS)測量湍流段前后進出口亞微米不同粒徑數量濃度，研究擾流柱特性對亞微米顆粒團聚效率的影響，并借助Fluent軟件，結合試驗數據，分析不同擾流柱排列下流場對亞微米顆粒湍流團聚效率的影響。

1 試 驗

1.1 試驗裝置

亞微米顆粒湍流團聚試驗臺由離心風機、空氣壓縮機、多分散氣溶膠發生器、湍流團聚試驗管道、顆粒粒徑測試系統組成(圖1)。空氣壓縮機鼓入清潔空氣，使氣溶膠發生器產生多分散亞微米顆粒。離心風機為團聚試驗系統提供動力，湍流團聚管道內放置擾流件(圖2)，產生湍流效應。在湍流區，不同粒徑顆粒由慣性產生的速度梯度導致顆粒間發生碰撞。由于范德華力的作用以及超細顆粒的物理特性，超細顆粒在碰撞后容易黏附在較大顆粒上發生團聚，經團聚后顆粒由出口排到室外。湍流團聚區間前后設置測點孔，方便顆粒采樣及粒徑濃度測量。

圖1 亞微米顆粒湍流團聚試驗臺Fig.1 Experimental platform for the submicron particulate turbulent agglomeration

圖2 三棱柱擾流件Fig.2 Triangular prism disturbing structure

顆粒采樣裝置前段設PM1切割器，后依次接過濾器、流量計、抽氣泵，采樣膜片為特氟龍濾膜。濃度測量以掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀(SMPS)為主，由差分電遷移率分析儀(DMA)和凝聚粒子計數器(CPC)組成，DMA按顆粒尺寸將顆粒進行分級，分級后的亞微米顆粒進入CPC，對15.7～850.5 nm的亞微米顆粒數量濃度進行在線監測。亞微米顆粒采樣，測量系統如圖3所示。

圖3 亞微米顆粒湍流團聚測量系統Fig.3 Measurement and sampling systems for the submicron particulate turbulent agglomeration

湍流團聚通道寬高為150 mm×100 mm，團聚區間長度為550 mm，測點1與氣溶膠發生器入口距離經模擬可使亞微米充分擴散，測點2與湍流團聚區間末端距離足夠長，滿足湍流團聚后使顆粒充分碰撞的試驗需求。湍流團聚區間內設置可拆卸型擾流柱，提供湍流條件，促使亞微米顆粒發生湍流團聚。為降低流體阻力[18]，加強湍流渦旋和易于加工，采用三棱柱型擾流件，擾流件高100 mm(圖2)，通過調整擾流柱大小及位置來探究擾流件對顆粒湍流團聚的影響。通道出口伸出窗外，防止亞微米顆粒再次進入試驗管道，減少環境對試驗結果的影響。

1.2 試驗方法

試驗由空壓機及氣溶膠發生器構成亞微米產生系統，以3%的(NH4)2SO4溶液為霧化介質，產生亞微米顆粒，通過調節氣溶膠發生器入口壓力及噴口數量調節產生的亞微米顆粒數量濃度大小。試驗與采樣時，采用導電硅管作為連接管路，減少管內黏附與二次碰撞引起的誤差。試驗測量以30 min為一個測量周期，每個周期內分別測3組進口和出口顆粒粒徑數量濃度，每組工況測3個測量周期，通過數據處理減少誤差，保證數據準確性。以顆粒物團聚效率為參考標準，顆粒團聚效率定義為

(1)

式中，Nin、Nout分別為進出口亞微米顆粒數量濃度，個/cm3。

1.3 顆粒發生器穩定性驗證

氣溶膠發生器作為亞微米顆粒的產生裝置，其穩定性對試驗的穩定性、準確性都有較大影響，通過預試驗，發現氣溶膠發生器入口壓力、噴口數量、通道風速等對顆粒的數量濃度及穩定性均有影響，經測試，暫定入口壓力為206.84 kPa,通道中心風速3.0 m/s。對亞微米產生的顆粒進行時間穩定性驗證，45 min內亞微米顆粒濃度及30 min內空氣中顆粒總數量濃度隨時間變化如圖4所示，不同粒徑亞微米顆粒數量濃度占比隨時間變化如圖5所示。

圖4 總數量濃度隨時間變化Fig.4 Particle concentration changes with time

圖5 各粒徑數量濃度占比隨時間變化Fig.5 Particle size distribution changes with time

由圖4可知，亞微米顆粒濃度在剛開始3 min與之后時間段有較大濃度差，一方面可能是由于氣溶膠發生器與風機剛開始運行，穩定性不夠；另一方面可能是由于SMPS內殘余氣體使測量出現誤差；測量過程中以15 min為一個測量時長，將所測數據分為3組取平均值，去掉誤差較大的3和6 min數據，發現整體亞微米顆粒總數量濃度誤差穩定在0～3%，符合誤差要求。對環境空氣中顆粒數量濃度進行測量，發現空氣中顆粒濃度相對穩定，且數量級在試驗亞微米顆粒濃度的1/10左右，影響較小。

由圖5可知，除3 min數據外，其余各組數據隨時間變化較小，重復性好。通過亞微米顆粒產生穩定性試驗分析，發現除了第1組數據外，亞微米顆粒濃度隨時間的穩定性較好，為確保準確，每次試驗前，先將儀器運行30 min再開始測量。

1.4 誤差性分析

試驗過程中，誤差可能主要來自源頭及過程2方面，源頭即由于氣溶膠發生器不穩定導致氣溶膠顆粒產生變化，過程是由于管道內壁吸附氣溶膠顆粒導致顆粒減少。1.3節驗證了氣溶膠發生器的穩定性滿足要求。為測得壁面吸附的結果，在壁面沾附濾膜，測量半小時后，濾膜稱量基本沒有變化，因此視為可忽略壁面吸附的影響。

2 結果與討論

2.1 亞微米顆粒粒徑對湍流團聚的影響

亞微米顆粒的團聚特性與其離散相參數密切相關，尤其是亞微米顆粒粒徑，顆粒越小，擴散程度越大；隨著顆粒粒徑減小(Stk<1)，顆粒擴散程度趨于相同。為研究不同粒徑下顆粒的團聚效率，設定6排擾流柱，繞流件邊長為10 mm，橫向間距10 mm，縱向間距40 mm，測定了風速3.0 m/s下粒徑分布與分粒徑顆粒的脫除效率。顆粒粒徑分布情況如圖6所示，可知小粒徑顆粒易發生團聚，因此小于74 nm的顆粒在入口處均大于出口處，顆粒直徑大于74 nm時，由小粒徑顆粒團聚而成的大顆粒數增多，出口顆粒數量濃度大于進口；從整體看，出口峰值較進口峰值由44 nm處移到48 nm處，也從一定程度上說明顆粒發生了團聚現象。

圖6 風速3.0 m/s時顆粒粒徑分布Fig.6 Particle size distribution at a flow rate of 3.0 m/s

分粒徑顆粒的團聚效率如圖7所示，可知小粒徑顆粒具有較大的團聚效率，隨粒徑增大，團聚效率逐漸減小，顆粒粒徑大于74 nm時，顆粒團聚效率變為負數。

圖7 風速3.0 m/s時顆粒分粒徑團聚效率Fig.7 Agglomeration efficiency of different particle size at a flow rate of 3.0 m/s

為確保試驗可靠性，本文又測試了不同風速(1.2、1.8、2.4、3.4、4.2、4.8 m/s)下管道內的顆粒團聚效率，經雷諾數計算，符合湍流條件。在幾種不同雷諾數下，發現同樣具有以上規律，1.2、3.0及4.2 m/s 風速下分粒徑的脫除效率如圖8所示。可知隨著亞微米顆粒粒徑的增大，團聚效率整體減小，原因可能在于小顆粒受流場的作用較為強烈，擴散程度較大，與大顆粒的碰撞率增加，加大了其團聚效率[19]，而隨著顆粒增大，碰撞率降低，其團聚效率隨之減小。3種不同風速時，對<30 nm的顆粒，湍流團聚效率在10%～90%，而>100 nm亞微米顆粒團聚效率較低，均在10%以內，3.0 m/s時團聚效率甚至為負。此外，顆粒粒徑大于502 nm時，3種風速的顆粒團聚效率均變為負數，一方面是因為大粒徑顆粒的團聚效率較小，另一方面是因為小顆粒團聚增加了大粒徑顆粒的數量。

圖8 分粒徑的團聚效率Fig.8 Agglomeration efficiency of particle size

不同流速下，PM0.1與PM1的團聚效率如圖9所示，可知團聚效率的峰值出現在3.0～4.0 m/s，低風速時，隨著風速提高，湍流團聚區的湍流強度加大，小顆粒的擴散程度增大，碰撞幾率也隨之加大，所以PM0.1和PM1的團聚效率不斷增大；而隨著流速再次提高，顆粒在湍流團聚區的停留時間減小，顆粒間的碰撞次數減少，因此整體呈現先增加后減少的趨勢，與孫宗康等[20]研究有相似規律。各流速下，PM1的團聚效率均小于PM0.1，與圖8規律相符。

圖9 不同流速下團聚效率Fig.9 Agglomeration efficiency at different flow rates

2.2 擾流件大小及布置位置的影響

本文湍流團聚區間依靠擾流件的布置產生湍流效應，為了探究擾流件對湍流團聚產生的影響，在4種工況下，探究擾流柱大小、擾流柱布置橫向間距、縱向間距及縱向排數的影響，公共工況為風速3.4 m/s,擾流柱大小10 mm，橫向節距10 mm，縱向節距40 mm，縱向排數6排，通過調整擾流柱大小、橫向間距、縱向間距以及縱向排數來獲得不同工況。

為了解擾流柱大小及布置位置對團聚區域內流場的分布影響，利用ICEM軟件對流場區域物理模型進行了網格劃分，網格使用為非結構性網格，在擾流柱及壁面邊界處對網格進行加密，總網格數為117 281個。利用Fluent軟件對流場分布進行模擬時，采用標準k-ε湍流模型，進口條件設置為速度入口，出口條件設置為壓力出口，采用Tecplot軟件進行計算結果圖像后處理。

2.2.1擾流柱大小的影響

選邊長為10、20、30和50 mm四個擾流柱進行試驗，其他條件設置為公共工況。擾流柱大小對團聚效率的影響如圖10所示。可知隨著擾流柱的增大，亞微米顆粒的團聚效率逐漸減小，在50 mm擾流柱時團聚效率最小，呈現一種對數分布規律。不同大小擾流柱的流場情況如圖11、12所示。可知10 mm擾流柱時，管道內流場渦街較多，且均勻分布于整個流場，而隨著擾流柱大小的增大，以10 mm擾流柱與50 m擾流柱對比，發現50 mm擾流柱僅在擾流柱后前方與后方出現了渦街，而相鄰擾流柱之間部分形成通道，氣體流速較快，沒有產生渦街，大量顆粒由此處直接流出，顆粒間的碰撞與團聚減少，因而團聚效率下降；而10 mm擾流柱時，廣泛的渦街分布加強了顆粒之間的碰撞效率，通道內流速降低為顆粒團聚提供了充分的碰撞時間。因此隨著擾流柱的增大團聚呈現對數式的分布規律。

圖10 擾流柱邊長對團聚效率的影響Fig.10 Effect of different disturbing structure size on agglomeration efficiency

圖11 不同大小擾流柱流場模擬Fig.11 Flow field simulation of different sizedisturbing structure

圖12 流場局部圖Fig.12 Local flow field

2.2.2 橫向間距的影響

調節橫向間距為10、20、30和40 mm，其他試驗條件設為公共工況，橫向間距對團聚效率的影響如圖13所示，可知隨著橫向間距的增加，亞微米顆粒的脫除效率呈現先下降后趨于穩定的特點。顆粒的團聚效率主要與擾流柱產生的湍流流場相關，隨著擾流柱橫向間距的增大，迎風面同一截面處擾流柱的數量減小，產生的渦街數量減小。不同擾流柱橫向間距的流場情況如圖14、15所示。可知10 mm間距工況時，擾流柱產生的渦街尺度較大，擾流柱尾部渦街密度較大且強度較大，能夠產生較理想的湍流效應，亞微米顆粒的碰撞率較高，因此團聚效率最大；而隨著橫向間距的增大，擾流柱數量減少，產生的渦街數量減少，湍流強度減弱，亞微米顆粒碰撞率減小，團聚效率降低，當湍流強度較弱時，顆粒間只受到布朗擴散的作用，湍流脈動不再對顆粒團聚起作用，團聚效率趨于較低的穩定狀態。

圖13 橫向間距對團聚效率的影響Fig.13 Effect of lateral spacing on agglomeration efficiency

圖14 不同擾流柱橫向間距的流場模擬Fig.14 Flow field simulation of lateral spacing of different disturbing structure

圖15 流場局部圖Fig.15 Local flow field

2.2.3縱向間距的影響

調節縱向間距為20、40、60和80 mm，其余試驗條件為公共工況，縱向間距對團聚效率的影響如圖16所示，可知隨著擾流柱縱向間距的增大，團聚效率先增大后減小，縱向間距為40 mm時達到最大。不同擾流柱縱向間距的流場情況如圖17、18所示。可知擾流柱產生的渦街除了受到相鄰渦街影響外，還受后面擾流柱的影響，當間距過短，如20 mm時，產生的渦街遭到破壞，渦街沒有充分發展，亞微米顆粒產生相互作用的距離過短，團聚效率最差；當間距過大時，渦街可以充分發展，如縱向間距80 mm時，渦街充分發展，分布整個流場，但此時流場中渦街的強度較低，亞微米顆粒間的相互作用較弱，顆粒碰撞幾率降低，團聚效率降低，章鵬飛等[14]的模擬結果中也出現了類似現象。

圖16 縱向間距對團聚效率的影響Fig.16 Effect of longitudinal spacing on agglomeration efficiency

圖17 不同擾流柱縱向間距的流場模擬Fig.17 Flow field simulation of longitudinal spacing of different disturbing structure

圖18 流場局部圖Fig.18 Local flow field

2.2.4縱向排數的影響

縱向擾流件排數對團聚效率的影響如圖19所示，可知隨著縱向排數的增大，亞微米顆粒的團聚效率隨之增大，但6～8排增大趨勢較小，推測團聚效率與縱向排數的關系呈現一種對數型關系，存在一個臨界排數；而后隨著排數的增多，亞微米顆粒的團聚效率增大效果不佳，一方面是因為小粒徑顆粒隨著排數的增加，逐漸碰撞由大顆粒吸附，小粒徑顆粒減少，另一方面大粒徑顆粒可能由于較多的擾流柱產生破裂，降低團聚效率。

圖19 擾流柱排數對團聚效率的影響Fig.19 Effect of the number of rows of spoiler columns on the agglomeration efficiency

3 結 論

1)亞微米顆粒湍流團聚效率與顆粒粒徑有關，粒徑較小的亞微米顆粒團聚效果較好，尤其對30 nm以內的亞微米顆粒，團聚效率在10%～90%；隨著粒徑增大，亞微米顆粒的團聚效率隨之減小；而伴隨著小顆粒的團聚，形成的顆粒的數目增多，會導致顆粒直徑>502 nm時，不同流速下顆粒的團聚效率變為負數。

2)通過改變擾流件大小及位置，發現亞微米顆粒的團聚效率隨擾流件的增大而減小，隨擾流件橫向間距的增大而逐漸減小，隨縱向間距的增大先變大后減小，隨排數的增大而變大。發生這種規律的原因主要是與擾流件產生的湍流流場有密切關系，擾流件的調整引起了通道內流場渦街強度與長度的變化，進而影響了亞微米顆粒的團聚效率。

3)亞微米顆粒湍流團聚試驗發現，湍流團聚對于小粒徑顆粒(粒徑<30 nm)具有較好的脫除效率，但對于大粒徑顆粒(粒徑>30 nm)脫除效率在10%以下，團聚效果有限。因此對于較大顆粒粒徑的團聚還需要結合其他團聚方法，如化學團聚、電團聚等進行進一步耦合處理。