可吸入颗粒物声波分离的数值模拟

可吸入颗粒物声波分离的数值模拟

论文摘要

可吸入颗粒物是大气主要的污染物之一,富集多种有害物质,对环境和人体的健康造成严重的危害。这些颗粒物具有如下特点:粒径小、数目多、易悬浮难沉降,因此常规的除尘设备很难对其进行收集。可吸入颗粒物防治的一个重要方法是首先对其进行预处理,即使粒径较小颗粒团聚成为粒径较大的颗粒,然后再利用常规的除尘设备进行有效的清除。声波团聚是在外加声波的作用下,使细颗粒物发生相互碰撞和团聚,在短时间内,颗粒的粒径分布将发生从小到大的变化,使团聚后生成的细颗粒群的平均粒径增大,这样就可以很容易使用常规设备除尘将其清除。声波团聚被认为是一种可操作的、简单易行的对可吸入颗粒物进行预处理的有效方法。本文利用声波压的变化规律来研究颗粒的聚合运动,模拟了分离器颗粒预处理过程中的流场,并数值计算了颗粒的运动轨迹,观察到颗粒在流场中相互碰撞的现象。进一步模拟了旋风除尘器中的流场和颗粒场,得到其中的流场是不均匀分布的旋流,通过对颗粒场中颗粒运动轨迹的分析,得到小颗粒容易随气流排出,相对于大颗粒而言较难收集。在以上研究基础上,分析了颗粒在旋风除尘器中的清除效率,研究结果表明,在只考虑颗粒所受声波力的情况下,虽然能观察到颗粒的碰撞,但清除效率变化不明显,其原因是没有考虑团聚核函数和团聚动力学方程,即颗粒虽然发生了碰撞但团聚没有得到充分体现。本文给出了团聚核函数的推导过程,并数值求解了团聚动力学方程,得到声波作用前后颗粒浓度的变化趋势,即粒径较小的颗粒浓度降低,粒径较大的颗粒浓度增加。基于此结果,让一定数目的颗粒群在声波作用前后分别通过旋风除尘器,统计被收集的颗粒数目,来进一步分析颗粒的清除情况,统计结果显示在考虑团聚核函数和团聚动力学后,颗粒的清除效率有所提高,这充分说明了颗粒的团聚对颗粒分离的效果。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 声波团聚研究概述
  • 1.1.1 声波团聚宏观效果研究
  • 1.1.2 声波团聚机理研究
  • 1.2 本文研究的主要内容
  • 第2章 细颗粒在行波声场中的受力特征
  • 2.1 细微颗粒在平面行波声场中的受力
  • 2.2 行波声场中颗粒受力数值计算
  • 2.3 行波管内颗粒团聚的数值模拟
  • 2.3.1 管道中流场的模拟
  • 2.3.2 管道中颗粒运动的模拟
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 声波团聚颗粒动力学的数值计算
  • 3.1 声波团聚动力学模型
  • 3.1.1 声波夹带系数和团聚体
  • 3.1.2 团聚动力学方程
  • 3.2 声波团聚核函数
  • 3.3 求解颗粒团聚动力学方程
  • 3.3.1 数值求解方法
  • 3.3.2 数值模拟结果
  • 3.4 本章小结
  • 第4章 带声场处理的旋风除尘器的数值模拟
  • 4.1 模拟对象─旋风除尘器
  • 4.2 旋风除尘器内除尘过程的数学模型
  • 4.2.1 质量和动量的时均方程
  • 4.2.2 湍流模型
  • 4.2.3 边界条件与差分格式选择
  • 4.3 颗粒模型
  • 4.4 数值模拟结果及分析
  • 4.4.1 气相模拟结果
  • 4.4.2 旋风分离器内颗粒相的模拟结果
  • 4.5 颗粒全流场数值模拟
  • 4.5.1 全流场气相的模拟
  • 4.5.2 全流场颗粒相模拟
  • 4.5.3 未加声波时颗粒全流场的运动轨迹
  • 4.5.4 加声波后颗粒全流场的运动轨迹
  • 4.6 团聚后运动轨迹模拟
  • 4.6.1 团聚核函数对除尘效率的影响
  • 4.7 本章小结
  • 第5章 全文的总结和展望
  • 5.1 全文的总结
  • 5.2 存在的不足和工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  • 相关论文文献

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