格子Boltzmann氣固兩相流模型及纖維捕集顆粒過程的數(shù)值模擬.pdf

1、我國以煤等化石燃料為主的能源結構和工業(yè)的快速發(fā)展導致可吸入顆粒物(粒徑在10微米以下的懸浮顆粒物)成為最主要的大氣污染物。布袋除塵器由于具有高效的顆粒物脫除能力，低廉的價格等優(yōu)點，廣泛應用于燃煤電廠、采礦/水泥工業(yè)等。布袋除塵器的過濾過程涉及多種捕集機制，并且除塵過程中顆粒的沉積和除塵器的堵塞還會造成捕集效率和系統(tǒng)壓降的動態(tài)變化，因此布袋纖維對懸浮顆粒的過濾過程十分復雜。本文建立了格子Boltzmann(LB)氣固兩相流模型，并以此作為

2、研究不同纖維捕集顆粒物過程的工具，深入研究了具有不同形狀及布置方式的纖維過濾器的穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)捕集顆粒過程，為細致理解纖維的除塵機理和纖維除塵器的優(yōu)化等奠定了理論基礎。本文的主要工作包括：
　　(1)利用格子Boltzmann方法模擬流場，采用元胞自動機的思路模擬顆粒運動，點源顆粒被限制在與流場結構相同的規(guī)則格子點上遷移，通過隨機方法來決定流體曳力、布朗力等作用下顆粒的運動方向和位置，發(fā)展了格子Boltzmann-元胞自動機(LB-

3、CA)概率模型。該模型可以方便地考慮顆粒-流體雙向耦合、顆粒在流場中的隨機軌道、動態(tài)變化的復雜邊界條件和并行計算。通過對經典的后臺階氣固兩相流實驗進行模擬，并與已有的實驗結果以及其他模型結果比較，證明了LB-CA模型優(yōu)于常規(guī)的雙流體模型，并可以達到大渦模擬(LES)氣固兩相流模型的精度。
　　(2)利用LB-CA模型模擬圓形和非圓形截面(包括橢圓、矩形、三角形、三葉型、十字形等)纖維捕集顆粒物過程。其中，圓形纖維模擬結果和已有的理

4、論或經驗預測值以及實驗結果吻合較好，證明LB-CA模型非常適合纖維捕集顆粒這種具有動態(tài)邊界條件以及流體-顆粒-纖維/沉積物多向耦合特征的氣固兩相流工況。對于非圓形截面纖維，比較了在各種捕集機制下不同布置方式對捕集性能的影響，為新型纖維除塵器的設計和優(yōu)化提供理論基礎。模擬發(fā)現(xiàn)，與同體積分數(shù)圓形截面纖維的捕集效率相比，異形纖維通常具有更大的捕集范圍，因此具有更大的擴散捕集效率，且擴散捕集效率與長短軸之比成正比，而與放置角度無關；而對于受慣性

5、碰撞和攔截機制主導的顆粒，異形纖維的捕集效率主要決定于纖維迎風面積，與放置角度和長短軸之比均相關，且需要優(yōu)化纖維配置才可能高于圓形截面纖維的捕集效率。在準確數(shù)值模擬的基礎上，基于萊溫伯格-馬卡特方法對各種工況下(不同的捕集機制主導、不同的橢圓纖維長短軸比、不同的放置角度、不同的纖維體積分數(shù)等)模擬結果進行擬合，得到了簡單易用的橢圓截面纖維系統(tǒng)壓降和捕集效率的經驗公式，并與少數(shù)可用的其他模型進行比較，驗證了這些經驗公式的可用性。
　

6、　(3)利用LB-CA模型對纖維層捕集顆粒物過程進行數(shù)值模擬，研究了不同纖維配置方式及排列間距下系統(tǒng)壓降與捕集效率的變化。通過性能參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn)，雖然錯列纖維系統(tǒng)壓降大于并列纖維，但是其性能仍然優(yōu)于錯列纖維，尤其是對較大慣性顆粒的捕集。在相同纖維填充率條件下，來流方向間距越大的過濾器捕集效率越高，但是壓降也越高，最終會導致性能的下降。通過研究不同位置纖維對捕集過程的貢獻，為優(yōu)化纖維布置方式提出建議。本文也首次對纖維層過濾器捕集顆粒物的非

7、穩(wěn)態(tài)過程進行了模擬，研究了不同位置纖維表面枝簇結構的生長、相互接觸的過程，同時考察枝簇結構對捕集效率、壓降以及各纖維捕集貢獻的影響，發(fā)現(xiàn)對于并列纖維，前排纖維的遮蔽效應明顯，而對于錯列纖維，由于前排纖維的導流效應，第二排纖維的捕集貢獻最大。
　　(4)從實際濾布的真實結構以及實際過濾過程中的多分散顆粒尺度分布出發(fā)，研究了三維情況下纖維過濾器捕集顆粒物的過程，并詳細討論了沉積顆粒形成的枝簇結構的生長過程及其結構特征。模擬發(fā)現(xiàn)，當布朗

8、擴散主導顆粒沉積時，纖維表面枝簇的孔隙率呈單峰分布，且平均孔隙率與荷塵量呈反比，而當多分散顆粒群的纖維捕集過程有多個沉積機制主導時(如布朗擴散機制主導小尺度顆粒，而攔截機制主導中等尺度顆粒)，形成的枝簇結構的孔隙率呈雙峰分布，且平均孔隙率與荷塵量呈指數(shù)關系。荷塵過程中壓降和捕集效率均隨荷塵量的增加而增加，且壓降與荷塵量之間滿足指數(shù)關系，而基于數(shù)目和基于質量的捕集效率均隨荷塵量的增加逐漸達到穩(wěn)定，但是基于質量的捕集效率往往大于基于數(shù)目的捕

9、集效率，這說明纖維對小尺度顆粒的捕集效率仍然低于大尺度顆粒。
　　總之，LB-CA模型是一個研究纖維捕集顆粒過程的有力工具。相比于其他模型，它除了能夠準確模擬穩(wěn)態(tài)捕集過程之外，還能夠較好的描述考慮顆粒沉積的非穩(wěn)態(tài)過程，得到沉積顆粒枝簇結構的生長過程以及系統(tǒng)壓降、捕集效率的動態(tài)變化。本文通過考察不同性質顆粒在不同形狀及排列方式纖維除塵器內的運動特征，闡明了纖維配置、顆粒屬性、流場屬性與捕集性能之間的相關關系，研究結果為布袋除塵器的纖