國家重點研發計劃成果 | 西安交通大學譚厚章教授團隊：亞微米顆粒物湍流團聚數值模擬研究

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細顆粒物排放是造成大氣汙染的重要原因之一，其中亞微米顆粒粒徑小於1 μm，比表面積大，易富集有毒汙染物。工業用煤燃燒過程中產生的亞微米顆粒物已成為大氣中亞微米顆粒物的主要來源。湍流團聚通過在傳統工業除塵設備前端增加團聚裝置以促進亞微米顆粒物的長大，進而提高傳統除塵器對亞微米顆粒物的脫除效率。

前人研究多集中在理論分析和建模上，但鮮見擾流件的形狀對顆粒物團聚的影響。西安交通大學譚厚章教授團隊考慮湍流和布朗運動引起的顆粒物團聚，建立數值模型來分析不同煙氣流速對顆粒物團聚特性的影響以及亞微米顆粒物在不同形狀擾流件中的團聚情況。

摘要：亞微米顆粒物(Submicron Particle)是大氣汙染物的重要來源之一，危害人體健康，湍流團聚是脫除燃煤煙氣中亞微米顆粒的重要手段。利用k-ε湍流模型與離散相(DPM)模型，在亞微米顆粒物湍流團聚試驗平臺基礎上建立了一個由湍流效應和布朗運動共同作用的亞微米顆粒團聚過程的數值模型，根據試驗數據對模型進行合理性驗證，研究了湍流團聚器的進口流速、擾流件排布、擾流件形狀對亞微米顆粒團聚特性的影響規律。結果表明：擾流件迎風面和擾流件的縱向尾跡區是碰撞和聚集的主要區域；小粒徑亞微米顆粒物的團聚效率明顯大於大粒徑，從粒徑593.5 nm處團聚效率開始變為負數；不同流速下，由於更小粒徑顆粒物在渦流中跟隨能力更強，PM_0.1的團聚效率均大於PM₁，湍流團聚器的進口流速不宜過大，以保證亞微米顆粒物所需要的停留時間。模擬所採用的三稜柱錯排擾流件的最大團聚效率對應的流速為5 m/s；亞微米顆粒物在順排、錯排結構的團聚效率差別不大，但順排和錯排結構對亞微米顆粒物的作用機制有較大差別，順排結構擾流件尾跡區的渦街得到充分發展，而錯排結構包含更多迎風面，增大了顆粒物碰撞機率，更易受到侵蝕；此外，單個擾流件條件下，由於Y型擾流件的產渦能力更強，比圓柱型擾流件和三稜柱型擾流件具有更好的湍流團聚效果。

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試 驗

圖1 亞微米顆粒物湍流團聚試驗臺

圖2 試驗團聚段布置示意

圖3 團聚段計算網格

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結果與討論

2.1 數值模型驗證

團聚效率為正值說明亞微米顆粒物經過團聚段後小粒徑顆粒物減少、大粒徑顆粒物增多，小粒徑顆粒物的團聚效率明顯大於大顆粒物，從粒徑593.5 nm開始團聚效率變為負值，主要原因是小粒徑顆粒物慣性較小，易隨渦流運動，造成局部富集增加碰撞團聚機率，另一方面是小顆粒物團聚成大顆粒物後沒有繼續團聚為更大粒徑的顆粒物，使這部分顆粒物增多，團聚效率降低。

圖4 試驗與模擬計算的團聚效率對比

團聚前後3種湍流模型計算出的亞微米顆粒物團聚效率試驗值為16.4%，模擬值為20.1%。模擬結果與試驗結果趨勢基本一致，但存在一定偏差，尤其是粒徑15.7～23.3 nm，主要原因是本文計算模型未考慮壁面對顆粒物的吸附效應。亞微米顆粒物在渦量場中的分布可知，由於團聚段內存在大量產渦擾流件，亞微米顆粒物被渦流卷吸運送至壁面處，增加了顆粒物沉積在壁面的機率，從而影響湍流團聚過程。其他可能造成偏差的原因還包括模型的精確度、試驗本身的測量誤差等。總體而言，模擬計算結果可以反映實際湍流團聚情況。

圖5 某一時刻渦量場中的亞微米顆粒物分布

2.2 入口煙氣流速的影響

5種流速均可使亞微米顆粒物發生湍流團聚，出口粒徑分布的峰值相較於初始值均向大粒徑方向偏移，證明了湍流團聚對粒徑分布的影響。隨流速升高，亞微米顆粒物的團聚效果逐漸減弱，在40.0～68.5 nm最為明顯。

圖6 不同流速下進出口亞微米顆粒物粒徑分布

隨流速升高，二者均下降，縮短停留時間會降低顆粒物團聚效率，但單位停留時間下的團聚效率隨流速的升高而升高，主要是由於流速升高，流場內各處的湍流耗散率升高。因此選擇進口流速時，既要保證流場中湍流耗散率的大小，又要兼顧顆粒在流場中的停留時間。

圖7 不同流速下亞微米顆粒物的團聚效率以及平均停留時間

進口流速升高會造成通道進出口壓差升高，且升高速率隨流速的升高而升高。隨著進口流速升高，通道內流動阻力增大，影響湍流團聚效果，甚至影響煙氣排放。因此實際應用中，需合理控制煙氣流速。

圖8 不同流速下進出口壓降變化

2.3 擾流件排布對亞微米顆粒物團聚的影響

順排對PM_0.1與PM₁的團聚效率分別為26.5%及18.9%，錯排對PM_0.1與PM₁的團聚效率分別為28.4%及20.1%。PM_0.1和PM₁錯排的團聚效率都大於順排，兩者團聚效率差距不大，但其對顆粒團聚的影響並不能簡單從團聚效率角度來衡量。

圖9 不同排布類型對應的團聚效率

順排中元件形成的尾渦會與其後面元件產渦發生耦合作用，使擾流件尾跡區的渦街充分發展，可以長距離攜帶小慣性顆粒，增加了湍流耗散率的有效距離。

圖10 順排時的速度場與渦量場

錯排結構使得顆粒更易撞擊擾流件壁面，有助於顆粒橫向移動並跟隨渦流撞擊下一個擾流件迎風面，增大團聚機率。但同時，錯排結構中擾流件迎風面更易受到亞微米顆粒物的侵蝕，因此工業應用需要對這部分表面採用特殊處理以防止受到侵蝕。

圖11 錯排時的速度場與渦量場

2.4 擾流件形狀對顆粒團聚的影響

為探究擾流件形狀對亞微米顆粒物團聚的影響，對3種形狀的擾流件進行數值模擬。為節約計算成本，選取單個擾流件進行模擬計算，分析其對亞微米顆粒湍流團聚的影響。

圖12 研究擾流件形狀影響所用計算模型

採用Y型渦片作為擾流元件團聚效果最好，圓柱效果最差，主要原因是Y型元件產渦能力強，且圓柱對流場擾動能力弱，產生的湍流強度比較弱，使得湍流耗散率較低，導致顆粒碰撞機率降低。

圖13 不同擾流元件下顆粒團聚前後粒徑分布

Y型渦片對流場作用產生的湍流耗散率最強，提高了顆粒的碰撞機率，且Y型渦片前端還有導流作用，尾跡區產生的漩渦固定性好，攜帶小顆粒能力強。而三角形擾流柱也可擾動產生可觀的渦流，但其迎風面積比Y型渦片小，因此團聚效率相對較小。

圖14 3種形狀擾流件的湍流耗散率場

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結 論

1）亞微米顆粒的團聚效率隨顆粒粒徑增大逐漸減小，粒徑大於593.5 nm後團聚效率為負。團聚試驗段的壁面效應以及亞微米顆粒的破碎等動力學行為不可忽視，相關機理模型有待進一步優化。

2）進口流速升高使得亞微米顆粒的團聚效率逐漸減小，雖然流速升高會使湍流耗散率升高，但同時顆粒在團聚段的停留時間變短，導致各組分顆粒濃度降低嚴重影響顆粒團聚效果，且流速過大會導致進出口壓降過大，影響顆粒團聚及煙氣排放。

3）3種擾流元件對亞微米顆粒物團聚效率從高到低分別是Y型渦片、三稜柱、圓柱。順排和錯排2種排布的團聚效率相差很小，順排PM₁團聚效率為18.9%，錯排PM₁團聚效率為20.1%，但其流場分布以及增強亞微米顆粒團聚的機理完全不同。在工業應用中應考慮材料磨損和顆粒沉積對運行的影響。

引用格式

馮鵬,盛虎,周虎,等.亞微米顆粒物湍流團聚數值模擬研究[J].潔淨煤技術,2020,26(5):181-187.

FENG Peng,SHENG Hu,ZHOU Hu，et al.Numerical simulation on the characteristics of submicron particle turbulence agglomeration[J].Clean Coal Technology,2020,26(5):181-187.

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