三維絲網網胞特征參數的數值模擬

王曉靜 樊俊曉 王 菁

（天津大學a.化工學院；b.環境科學與工程學院）

隨著我國社會的發展，工業廢氣的排放量日益增加，而未經處理的廢氣直接排入大氣不僅會嚴重威脅人類的身體健康，同時較差的空氣質量也會影響人類的心理健康［1］。因此，加強工業廢氣治理，落實環保理念，提高工業廢氣防治技術，實現可持續發展已刻不容緩［2］。

有色煙羽中含多種污染物，其中可溶性顆粒物和鹽類是導致霧霾天氣的原因之一，還可能含有可凝結顆粒物，這種顆粒物停留時間長、擴散距離遠、毒性強、危害大［3］。 揮發性有機物（VOCs）是工業廢氣的主要產物之一，也是導致霧霾天氣的主要因素。 目前，人們主要從兩個方面解決大氣污染問題：一是提高工藝水平，升級環保設施；二是生產高質量產品，以減少污染廢氣的排放［4］。主要的工藝脫白方法有3種，包含：直接加熱法、先降溫再加熱法和降溫混風法［5］。 然而，這3種脫白方法對于大風量脫白處理而言成本較高。 目前常見的VOCs治理技術，傳統的主要有直接燃燒法和催化燃燒法，新興的主要有活性炭纖維治理技術、生物治理技術及蓄熱式熱力氧化技術等［6］。直接燃燒法對操作有嚴格的要求，如果焚燒溫度不達標，容易產生其他污染物；催化燃燒法使用成本高，投資量大；活性炭纖維治理技術的使用環境如果過于潮濕會影響處理效果；生物治理技術尚未確立明確的使用方法；蓄熱式熱力氧化技術可能會產生碳氧化合物，造成大氣二次污染。

裝備是化工行業組織生產的基礎，提高化工設備性能，對提高化工生產過程和化工技術與產業整體水平至關重要［7］。 三維網胞形式的立體絲網是一種立體編制的復合結構絲網，可通過捕集微小液滴并使之凝聚，達到脫白的效果，進而在絲網上燒結附著催化劑，實現催化分解有害污染物的目的。

筆者主要研究不同絲網參數對水滴的捕集效率和對流體阻力的影響，為立體絲網工業化應用提供參考依據。

1 模型構建及網格劃分

三維絲網是V形結構在經、 緯方向上垂直交叉構成的。 利用NX12.0建立三維絲網模型，通過參數驅動的功能， 輸入不同絲網直徑D、 目數M（絲網水平投影，每英寸含有的絲網個數）和層數N，自動生成不同的模型，從而大幅減少模型的構造時間。 由于三維絲網具有對稱性，因此筆者選擇四分之一結構進行建模，得到的三維絲網模型如圖1所示。

對氣體流過絲網的區域建立流場區域，對進、出口進行一定的延長，以達到穩定氣流的目的。 對絲網模型均采用非結構化網格劃分，對絲網接觸部分進行局部加密處理（圖2）。

圖1 三維絲網模型

圖2 三維絲網模型網格劃分

2 模擬方法

2.1 控制方程

流體流動需要滿足物理守恒定律， 包括質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，其控制方程分別為連續方程、 運動方程和能量方程［8］。

2.1.1 連續方程

連續方程是質量守恒定律以數學表達式的形式在運動流體中的運用，其表達式為：

式中 t——時間；

ū——速度；

ρ——流體密度。

對于不可壓縮定長流動，且密度沒有發生變化的流體，其連續方程為：

由于本模擬不涉及傳熱過程，幾乎沒有溫度變化，因此不涉及能量方程。

2.2 湍流模型選擇

Fluent提供的湍流運動計算方法主要有雷諾時均法和大渦模擬法［9］。 使用雷諾時均法計算湍流運動的模型主要有Spalart-Allmaras模型、 標準k-ε模型、RNG k-ε模型及Realizable k-ε模型等。其中Spalart-Allmaras模型的穩定性較差， 尚無成功的案例；標準k-ε模型是由Launder和Spalding提出的，主要用于高雷諾數的湍流模型計算，穩定性高，但對于非均勻湍流的計算，有較大的誤差［10］；RNG k-ε模型是對標準k-ε模型的優化，強于標準k-ε模型；Realizable k-ε模型使用的是新的湍流粘度公式， 在雷諾應力上和真實湍流保持一致，在復雜的湍流模型中更出色。 由于本模型是一種多孔介質模型，湍流流動比較復雜，因此筆者選用Realizable k-ε模型。

2.3 除霧機理

除霧機理［11］主要有以下3種：

a. 慣性碰撞。 液滴保持原來的運動狀態，在氣體繞過絲網時，由于液滴的慣性會撞擊在絲網表面，從而實現捕集。

b. 布朗擴散。 當氣流較低或液滴粒徑較小時，液滴做不規則運動從而碰撞到絲網表面。

c. 直接攔截。 粒徑較小的或者氣速較小的液滴隨著氣流繞過絲網，當液滴的半徑大于液滴圓心到絲網的距離時將被捕集。

本課題選用的水滴直徑為10μm，慣性碰撞是主要的影響因素，布朗擴散和直接攔截影響非常小，可忽略不計［12］。 當水滴與絲網表面發生碰撞，即認為是捕集到了水滴。

壓降△p的計算式為：

2.4 邊界條件設置

進口處設置為速度入口，入口速度5m/s，DPM設置為液滴入口；出口處設置為壓力出口，靜壓為0，DPM設置為逃逸；相鄰兩個矩形面設置為壁面，DPM設置為反射； 另兩個相鄰矩形面設置為對稱面；絲網表面設置為捕集。 本課題選用的氣體為空氣、液體為水。

3 模擬結果與分析

3.1 絲網直徑對壓降和捕集效率的影響

絲網直徑的變化會對壓降和捕集效率產生較大的影響。 對3種系列（D×31.8×10-D×31.8×10、D×25.4×10-D×25.4×10和D×21.2×10-D×21.2×10）不同直徑的絲網進行模擬研究，數據繪制成曲線如圖3、4所示。

圖3 絲網直徑與壓降的關系曲線

圖4 絲網直徑與捕集效率的關系曲線

由圖3、4可以看出，隨著絲網直徑的增加，壓降呈現線性增加的趨勢，這是因為隨著絲網直徑的增加，V形邊上相鄰兩個絲網之間的氣流速度變大，絲網表面附近的流體湍動能增加，湍流強度增加， 進而導致對空氣產生的阻力有所增加。同時，由于絲網直徑的增加，提高了對水滴的有效攔截面積利用率，使得水滴的捕集效率得到了提高。 當D≥1/M時，絲網對水滴的捕集效率幾乎不發生變化， 但是壓降繼續呈現線性增加的趨勢，這是由于隨著絲網直徑的增加，湍流強度還會逐漸增加，但是對水滴的有效攔截面積利用率卻不再發生變化。對于D×31.8×10-D×31.8×10系列絲網，當絲網直徑D=1.5mm時，壓降發生了劇烈的變化，達到了83.3Pa。 這是因為倒數第2層相鄰的兩個絲網距離非常近，間隙非常小，導致對空氣的粘性阻力很大，進而造成整個模型的壓降迅速增加。

當D≥1/M時， 雖然三維絲網的捕集效率變化已不大，但壓降還在繼續變化，因此筆者對D=1/M的三維絲網進行進一步模擬分析。 對于D×25.4×10-D×25.4×10系列絲網，D=1/M時直徑與壓降和捕集 效 率 的 關 系 曲 線 如 圖5、6 所 示。 由 圖5、6可以看出，當D=1/M時，隨著絲網直徑的增加，壓降大幅變小，捕集效率整體呈下降趨勢但變化不大。 說明水滴的有效攔截面積利用率不變時，三維絲網對水滴的捕集效率也不會產生大的變化。

圖5 D=1/M時直徑與壓降的關系曲線

圖6 D=1/M時直徑與捕集效率的關系曲線

3.2 絲網目數對壓降和捕集效率的影響

絲網目數的變化也會對壓降和水滴捕集效率產生影響。 對3種系列 （0.8×M×10-0.8×M×10、1.0×M×10-1.0×M×10和1.2×M×10-1.2×M×10）不同目數的絲網進行模擬研究， 數據繪制成如圖7、8所示曲線。

圖7 絲網目數與壓降的關系曲線

由圖7、8可以看出，隨著絲網目數的增加，壓降也是呈現增加的趨勢。當1/M＞D時，水滴捕集效率隨著目數的增加而增加；當1/M≤D時，目數的變化對水滴捕集效率的影響較小。 這是因為隨著目數的增加，絲網的密集度增加，孔隙率減少，導致壓降增加，而水滴的有效攔截面積利用率先增加然后不再發生變化。

圖8 絲網目數與捕集效率的關系曲線

3.3 絲網層數對壓降和捕集效率的影響

絲網層數的變化也會對壓降和水滴捕集效率產生影響。對3種系列（0.8×31.8×N-0.8×31.8×N、1.0×25.4×N-1.0×25.4×N和1.2×21.2×N-1.2×21.2×N）不同層數的絲網進行模擬研究，數據繪制成如圖9、10所示曲線。 可以看出，隨著絲網層數的增加，壓降逐漸減小，而捕集效率變化不大，主要在98%～100%之間波動。這是因為隨著層數的增加，絲網的孔隙率增大，流過相鄰網孔的氣流干擾性降低，有助于氣流的穩定，利于湍流的擴散，從而使湍流強度降低，整體壓降降低；而絲網層數的增加并沒有改變對水滴的有效攔截面積利用率，同時由于模擬產生的系統誤差，所以捕集效率僅產生小幅的波動性變化。

圖9 絲網層數與壓降的關系曲線

圖10 絲網層數與捕集效率的關系曲線

4 結論

4.1 隨著絲網直徑的增加，壓降增加。 當D＜1/M時， 水滴的捕集效率隨著絲網直徑的增加而增加；當D≥1/M時，絲網直徑的變化對水滴的捕集效率影響不大。 當D=1/M時， 隨著絲網直徑的增加，壓降減小，捕集效率變化范圍較小且整體呈下降趨勢。

4.2 隨著絲網目數的增加， 壓降呈現增加的趨勢。當1/M＞D時，水滴的捕集效率隨著絲網目數的增加而增加；當1/M≤D時，絲網目數的變化對水滴的捕集效率影響不大。

4.3 隨著絲網層數的增加，孔隙率增加，壓降減小， 但是沒有改變水滴的有效攔截面積利用率， 因此水滴的捕集效率沒有發生顯著的變化。