槽道湍流中顆粒彌散及電除塵應(yīng)用的數(shù)值研究.pdf

1、流體-顆粒兩相湍流與國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的能源、化工、水利、環(huán)境等工業(yè)密切相關(guān)，已逐漸成為兩相流研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。作為兩相流的一個(gè)分支，流體-顆粒兩相流的基礎(chǔ)研究在過(guò)去30年來(lái)取得了很多可喜的成果，但對(duì)于壁剪切湍流-顆粒兩相流的研究仍不充分，而對(duì)于其在工業(yè)應(yīng)用中的理論研究則更為有限。本文采用直接數(shù)值模擬方法研究了槽道兩相湍流中顆粒的彌散特性，并以此為基礎(chǔ)研究了電除塵器中顆粒物在空氣流中的聚集規(guī)律。研究工作從單相槽道湍流模擬開(kāi)始，分析了二維槽道湍流

2、的湍流特性；進(jìn)一步采用單向耦合模型，研究了Stokes數(shù)為0.01、1.3和11.4的三種顆粒在Re數(shù)為5500的槽道湍流中的彌散特性；最后結(jié)合工程實(shí)際，以靜電除塵器為模型，研究了顆粒物在氣流和電場(chǎng)耦合作用下的集塵規(guī)律。
　　 對(duì)二維單相槽道湍流進(jìn)行了直接數(shù)值模擬，采用擬譜方法直接求解流體相控制方程，并改進(jìn)了流向和展向速度譜分量的求解方法。分析了二維槽道湍流的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和瞬時(shí)特征，計(jì)算結(jié)果與前人結(jié)果吻合較好。對(duì)近壁渦量和壁面剪應(yīng)力

3、的兩點(diǎn)互相關(guān)結(jié)果表明在距離壁面為0.03和0.2 處（基于槽道半寬）近壁渦對(duì)于壁面阻力的影響最為強(qiáng)烈，為壁面減阻研究提供了理論解釋。通過(guò)流場(chǎng)中旋渦的演化和能量的傳輸研究結(jié)果表明，二維槽道湍流中存在明顯的旋渦自組織特性，并伴隨著能量從小尺度結(jié)構(gòu)向大尺度結(jié)構(gòu)傳遞的逆級(jí)串過(guò)程。
　　 顆粒-流體兩相槽道湍流模擬的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明顆粒具有動(dòng)量統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，但不具有濃度統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性。顆粒達(dá)到動(dòng)量穩(wěn)定所需要的時(shí)間隨著Stokes數(shù)的增大而增大，而濃

4、度由槽道中心到壁面逐漸增大，說(shuō)明顆粒具有壁面聚集效應(yīng)。近壁區(qū)顆粒平均速度明顯大于流體速度，且隨著Stokes數(shù)而增大，說(shuō)明顆粒慣性對(duì)顆粒平均運(yùn)動(dòng)的影響主要集中在近壁區(qū)域。顆粒的瞬時(shí)分布體現(xiàn)出了顆粒在全場(chǎng)中的富集特征，并且隨著顆粒Stokes數(shù)的增大，富集現(xiàn)象愈明顯。而對(duì)于離開(kāi)壁面不同高度位置，顆粒富集程度隨顆粒Stokes數(shù)的的變化規(guī)律并不相同。Stokes數(shù)為0.01的顆粒越靠近壁面位置，其局部富集程度越強(qiáng)，而Stokes數(shù)為1.3和

5、11.4的顆粒，其局部富集程度在距離壁面高度為0.4和0.8之間最強(qiáng)。
　　 在顆粒-流體兩相槽道湍流模型中施加適當(dāng)外加電場(chǎng)，以模擬靜電除塵器中顆粒物在氣流和電場(chǎng)耦合作用下的彌散特性。顆粒的瞬時(shí)分布和軌跡曲線(xiàn)表明在相同顆粒Stokes數(shù)下，顆粒壁面聚集程度隨著外加電壓的增大而增大；在相同外加電壓下，顆粒壁面聚集程度隨著Stokes數(shù)的增大而增大。顆粒橫向擴(kuò)散函數(shù)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步表明：在初始階段，外加電壓越大，顆粒橫向擴(kuò)散函數(shù)越大

6、，顆粒橫向運(yùn)動(dòng)越明顯；同時(shí)橫向擴(kuò)散函數(shù)值隨時(shí)間而逐漸減小，且外加電壓越大，減小越快。顆粒數(shù)濃度的變化結(jié)果表明：在同一時(shí)刻，對(duì)于相同Stokes數(shù)的顆粒，外加電壓越大，顆粒數(shù)濃度也越大，相應(yīng)地集塵效率也越高；對(duì)于相同外加電壓而言，顆粒Stokes數(shù)越大，顆粒數(shù)濃度也越大，相應(yīng)地集塵效率同樣也越高。
　　 上述研究有助于理解壁剪切湍流中的顆粒彌散規(guī)律，并為工程中靜電除塵應(yīng)用提供指導(dǎo)，同時(shí)也為進(jìn)一步研究多場(chǎng)耦合下的流體-顆粒兩相流奠定