荷电液滴捕集颗粒物基理和特性的研究.pdf
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1、 博士学位论文荷电液滴捕集颗粒物机理和特性的研究_ _摘 要摘要颗粒物污染严重影响公共健康和经济发展,我们国家尤为严重。大气颗粒污 染物成分复杂,区域分布差异性明显,从源头上限制颗粒物排放是治理颗粒物污 染的最有效途径之一。静电喷雾降尘是一种结合传统喷雾除尘和静电除尘的新技 术,能够高效脱除烟气等排放源中的颗粒物,尤其是PMio和PM2.5等细颗粒物,具有良好的应用前景。静电喷雾降尘过程涉及气-液-固多相流动及多场耦合等问题,降尘机理十分复杂,基础理论尚不完善。本文以此为背景,对荷电液滴捕集颗粒 物过程中颗粒在气相介质中的运动、颗粒与液滴自由界面的相互作用等问题进行 了实验和数值模拟研究,旨在
2、为静电喷雾降尘技术的发展提供必要的理论基础。本文的研究工作主要包括:1.对荷电液滴捕集颗粒物的过程进行了可视化研究。利用高速数码摄像结合 显微放大技术捕捉了悬垂荷电液滴吸附颗粒物过程。获得了颗粒在气相介质中运 动的瞬时受力和荷电量等关键参数对颗粒物运动的影响规律,同时为数值模拟研 究提供必要的实验数据。研究了颗粒物撞击荷电液滴的动力学行为。颗粒撞击荷电液滴有几率出现反 弹现象。研究首次发现颗粒对荷电液滴的撞击角小于85。时反弹概率接近50%。颗 粒倾斜撞击荷电液滴产生的切向速度分量能够极大地削弱由液滴表面提供的粘附 力,并且倾斜撞击也会降低颗粒的法向撞击速度,减小其润湿面积,进一步削弱 粘附力
3、作用,致使颗粒极易脱离液滴表面。颗粒脱离后极性与液滴相反,受库仑 斥力影响被排斥逃逸。研究了荷电液滴捕集颗粒微团的机理和特性。通过观察捕集过程中颗粒微团 的动力学行为,发现荷电液滴对颗粒微团的捕集效率较低。颗粒微团较大的体积 使其在运动过程中吸收大量气体电离产生的空间自由电荷,导致部分颗粒微团极 性与荷电液滴一致,在到达液滴表面以前受库仑斥力作用被排斥逃逸。到达液滴 表面的颗粒微团由于结构松散,在撞击液面后解体,大部分子颗粒被排斥逃逸。另外,颗粒微团在气相介质运动的过程中出现了“同极性相互吸引”现象,即大 小不同但极性相同的颗粒微团首先聚并,然后向荷电液滴运动。本文推导了同极 I江苏大学博士学
4、位论文:荷电液滴捕集颗粒物机理和特性的研究性颗粒微团相互聚并的临界条件。2.对荷电液滴捕集颗粒物过程进行了数值模拟研究。以实验研究为基础,综 合考虑颗粒的粘附、反弹和浸入等动力学行为,建立了基于欧拉-拉格朗日方法的 荷电液滴捕集颗粒物模型。数值模拟了悬垂荷电液滴捕集颗粒物过程并与实验结 果进行对比,验证了模型的有效性。对气流作用下荷电液滴捕集颗粒物过程的多 相流场进行了数值模拟,探讨了斯托克斯数(必和库仑数(Kc)对荷电液滴捕集能力 的影响,给出了荷电液滴高效捕集颗粒物的参数区间。3.对颗粒物在荷电液滴表面沉积特性进行了可视化研究。首次利用设计的实 验装置观察了荷电液滴经自由落体捕集颗粒物并在
5、载玻片上铺展后颗粒物的沉积 情况。分析了液滴下落高度和荷电量等关键参数对颗粒物沉积特性的影响。研究 发现,与非荷电工况相比,荷电液滴对颗粒物的捕集量高一个数量级以上;被捕 集颗粒在液滴表面受毛细力影响会出现相互吸引现象,即液滴表面颗粒物发生明 显团聚;液滴的迎风面为主要捕集区域,但颗粒物实际沉积区域小于液滴的半球 面;在有限的雷诺数范围内,液滴对颗粒物的吸附量与其荷电量呈线性比例关系。4.对温度场作用下荷电液滴的蒸发特性进行了数值模拟研究。利用漏电介质(Leaky diel ec t r ic)假说建立了基于VOF方法的高温条件下荷电液滴蒸发模型。从静 电场和温度场对液滴内部流场的影响角度预测
6、了高温条件下荷电液滴的蒸发特性,即静电场能够抑制高温条件下液滴内的紊流,减小液相介质的流动速度,降低液 滴内的热量传递速率,延长液滴在高温环境中的生存时间。关键词:静电场,喷雾,液滴,颗粒物,沉积,反弹ABSTRACTABSTRACTPar t ic ul at e air po l l ut io n is asso c iat ed wit h adver se h uman h eal t h and ec o no my devel o pment impac t s,espec ial l y in Ch ina.Basic al l y,t h e feat ur es o f p
7、ar t ic ul at e po l l ut ant in t h e at mo sph er e ar e c o mpl ic at ed c o mpo sit io n and r eg io nal dist r ibut io n differ enc e.Co nt r o l l ing par t ic ul at e emissio n is o ne o f t h e mo st r adic al ways t o impr o ve t h e air qual it y.Th e wet el ec t r o st at ic sc r ubber(WE
8、S)is a t ype o f effic ient h ybr id syst em fo r par t ic l e abat ement(par t ic ul ar l y in t h e r emo val o f PMio and PM2.5 par t ic l es),wh ic h c o mbines advant ag es o f iner t ial wet sc r ubber s and el ec t r o st at ic pr ec ipit at o r s.Th e WES h as g r eat appl ic at io n po t en
9、t ial in t h e ar eas r el at ed t o g as c l eaning.Ho wever,due t o t h e c o mpl ex r emo val mec h anisms wh ic h invo l ving mul t i-ph ase and mul t i-fiel d effec t s,t h e fundament al t h eo r ies o f WES ar e st il l needed t o ex pl o r e.In t h is wo r k,t h e issues in WES suc h as par
10、t ic l e mo t io n and int er ac t io n bet ween par t ic l es and a c h ar g ed dr o pl et wer e invest ig at ed in bo t h ex per iment al and numer ic al ways,wh ic h wil l pr o vide t h eo r et ic al basis fo r devel o ping WES t ec h no l o g y.Th e main po int s ar e as fo l l o wing:1.Visual i
11、zat io n invest ig at io n o n c h ar g ed dr o pl et c apt ur ing par t ic l es.A h ig h-speed dig it al c amer a wit h t h e mic r o-ampl ific at io n t ec h no l o g y was used t o r ec o r d t h e pr o c ess t h at t h e pendant c h ar g ed dr o pl et c apt ur ing par t ic l es.Th e effec t l aw
12、s o f par t ic l es mo t io n infl uenc ed by t h e key par amet es suc h as fo r c es and c h ar g e o f t h e par t ic l es wer e o bt ained,wh ic h al so pr o vided t h e nec essar y input par amet er s fo r simul at io n st udies.Th e impac t io n o f par t ic l es o nt o t h e c h ar g ed dr o
13、pl et was st udied.Par t ic l es c o ul d bo unc e o ff t h e int er fac e aft er impac t ing t h e dr o pl et.It was fo und t h at near 50%o f t h e par t ic l es bo unc ed o ff t h e dr o pl et sur fac e wh en t h e impac t ang l e was smal l er t h an 85.Inc l ined impac t l eads t o t h e t ang
14、ent ial vel o c it y o f t h e par t ic l e al o ng t h e int er fac e.Th e ex ist enc e o f t ang ent ial vel o c it y c o ul d subst ant ial l y r educ e t h e adh esio n.Mo r eo ver,t h e no r mal c o mpo nent impac t vel o c it y o f t h e par t ic l e was al so r educ ed due t o t h e inc l ine
15、d impac t,wh ic h means t h e wet t ing ar ea o f t h e par t ic l e was sh r unken,t h e adh esio n pr o vide by t h e int er fac e was dec l ined mo r e sig nific ant l y.Th er efo r e,t h e par t ic l es ar e mo r e l ikel y t o r ebo und.Th e r ebo und par t ic l es wer e c h ar g ed wit h t h e
16、 same po l ar it y wit h t h e dr o pl et,t h ey esc aped due t o t h e Co ul o mb r epul sio n.Th e mec h anisms o f par t ic l e c l ust er s c apt ur ed by t h e c h ar g ed dr o pl et was anal yzed.It was fo und t h at c h ar g ed dr o pl et was ineffec t ive t o c apt ur e par t ic l e c l ust
17、er s.Co mpar ed t o sing l e par t ic l es,par t ic l e c l ust er s h ave a l ar g er vo l ume but a l o o ser st r uc t ur e.Th e in江苏大学博士学位论文:荷电液滴捕集颗粒物机理和特性的研究l ar g er vo l ume o f par t ic l e c l ust er s enabl es t h em t o c apt ur e mo r e fr ee c h ar g es dur ing t h eir mo t io n,wh ic h
18、 even o ffset t h eir init ial po l ar it y and r epul sio n by t h e c h ar g ed dr o pl et.Mo st par t ic l e c l ust er s impac t ing t h e dr o pl et sur fac e wer e disint eg r at ed due t o t h eir l o ser st r uc t ur e.So me c h il d par t ic l es bo unc ing o ff t h e int er fac e fo r ms t
19、 h e r eent r ainment.In addit io n,t h e at t r ac t io n bet ween t h e l ike c h ar g ed par t ic l e c l ust er s wer e o bser ved.In o t h er wo r ds,t wo par t ic l e c l ust er s wit h differ ent sizes ag g l o mer at ed int o a l ar g e c l ust er and t h en mo ving t o war ds t h e c h ar g
20、 ed dr o pl et.Th is ph eno meno n was t h eo r et ic al l y anal yzed and t h e c r it er io n o f ag g l o mer at io n was der ived.2.Th e pr o c ess o f c h ar g ed dr o pl et c apt ur ing par t ic l es was simul at ed numer ic al l y.Based o n t h e ex per iment al dat a,an Eul er-Lag r ang e me
21、t h o d based mo del fo r c apt ur ing par t ic l es by t h e c h ar g ed dr o pl et was est abl ish ed.Th is mo del inc l udes t h e dynamic beh avio r s o f t h e par t ic l es:adh esio n,r ebo und and submer g enc e.Par t ic l es c apt ur ed by a pendant c h ar g ed dr o pl et was fir st l y simu
22、l at ed and c o mpar ed wit h t h e ex per iment al o bser vat io ns t o val idat e t h e avail abil it y o f t h e est abl ish ed mo del.Th e pr o c ess t h at par t ic l es impac t ing t h e c h ar g ed c o l l ec t o r under t h e infl uenc e o f air fl o w wer e st udied numer ic al l y.Th e c a
23、pt ur e effic ienc y o f t h e c h ar g ed dr o pl et affec t ed by t h e St o kes number(St)and t h e Co ul o mb number(Kc)was disc ussed.Th e par amet er r ang e fo r c apt ur ing par t ic l es effic ient l y by t h e c h ar g ed dr o pl et was pr esent ed.3.Visual izat io n invest ig at io n o n
24、c h ar ac t er ist ic s o f par t ic l es depo sit ed o n a c h ar g ed dr o pl et.A h o me made devic e was used t o ac c o mpl ish t h e pr o c ess t h at par t ic l es c apt ur ing by a fr ee fal l c h ar g ed dr o pl et.Th e dr o pl et event ual l y spr eaded o n a g l ass sl ide and t h e depo
25、sit io n mo r ph o l o g y o f t h e par t ic l es was o bser ved.Th e depo sit io n c h ar ac t er ist ic s affec t ed by t h e fal l ing h eig h t s and c h ar g e c o ndit io ns wer e anal yzed.Th e r esul t s sh o wed t h at t h e equival ent number o f par t ic l es c apt ur ed by t h e c h ar
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