国家重点研发计划成果 西安交通大学谭厚章教授团队：亚微米颗粒物湍流团聚数值模拟研究

　　细颗粒物排放是造成大气污染的重要原因之一，其中亚微米颗粒粒径小于1 μm，比表面积大，易富集有毒污染物。工业用煤燃烧过程中产生的亚微米颗粒物已成为大气中亚微米颗粒物的主要来源。湍流团聚通过在传统工业除尘设备前端增加团聚装置以促进亚微米颗粒物的长大，进而提高传统除尘器对亚微米颗粒物的脱除效率。

　　前人研究多集中在理论分析和建模上，但鲜见扰流件的形状对颗粒物团聚的影响。西安交通大学谭厚章教授团队考虑湍流和布朗运动引起的颗粒物团聚，建立数值模型来分析不同烟气流速对颗粒物团聚特性的影响以及亚微米颗粒物在不同形状扰流件中的团聚情况。

　　摘要：亚微米颗粒物(Submicron Particle)是大气污染物的重要来源之一，危害人体健康，湍流团聚是脱除燃煤烟气中亚微米颗粒的重要手段。利用k-ε湍流模型与离散相(DPM)模型，在亚微米颗粒物湍流团聚试验平台基础上建立了一个由湍流效应和布朗运动共同作用的亚微米颗粒团聚过程的数值模型，根据试验数据对模型进行合理性验证，研究了湍流团聚器的进口流速、扰流件排布、扰流件形状对亚微米颗粒团聚特性的影响规律。结果表明：扰流件迎风面和扰流件的纵向尾迹区是碰撞和聚集的主要区域；小粒径亚微米颗粒物的团聚效率明显大于大粒径，从粒径593.5 nm处团聚效率开始变为负数；不同流速下，由于更小粒径颗粒物在涡流中跟随能力更强，PM0.1的团聚效率均大于PM1，湍流团聚器的进口流速不宜过大，以保证亚微米颗粒物所需要的停留时间。模拟所采用的三棱柱错排扰流件的最大团聚效率对应的流速为5 m/s；亚微米颗粒物在顺排、错排结构的团聚效率差别不大，但顺排和错排结构对亚微米颗粒物的作用机制有较大差别，顺排结构扰流件尾迹区的涡街得到充分发展，而错排结构包含更多迎风面，增大了颗粒物碰撞几率，更易受到侵蚀；此外，单个扰流件条件下，由于Y型扰流件的产涡能力更强，比圆柱型扰流件和三棱柱型扰流件具有更好的湍流团聚效果。

　　试 验

　　图1 亚微米颗粒物湍流团聚试验台

　　图2 试验团聚段布置示意

　　图3 团聚段计算网格

　　2

　　结果与讨论

　　2.1 数值模型验证

　　团聚效率为正值说明亚微米颗粒物经过团聚段后小粒径颗粒物减少、大粒径颗粒物增多，小粒径颗粒物的团聚效率明显大于大颗粒物，从粒径593.5 nm开始团聚效率变为负值，主要原因是小粒径颗粒物惯性较小，易随涡流运动，造成局部富集增加碰撞团聚几率，另一方面是小颗粒物团聚成大颗粒物后没有继续团聚为更大粒径的颗粒物，使这部分颗粒物增多，团聚效率降低。

　　图4 试验与模拟计算的团聚效率对比

　　团聚前后3种湍流模型计算出的亚微米颗粒物团聚效率试验值为16.4%，模拟值为20.1%。模拟结果与试验结果趋势基本一致，但存在一定偏差，尤其是粒径15.7～23.3 nm，主要原因是本文计算模型未考虑壁面对颗粒物的吸附效应。亚微米颗粒物在涡量场中的分布可知，由于团聚段内存在大量产涡扰流件，亚微米颗粒物被涡流卷吸运送至壁面处，增加了颗粒物沉积在壁面的几率，从而影响湍流团聚过程。其他可能造成偏差的原因还包括模型的精确度、试验本身的测量误差等。总体而言，模拟计算结果可以反映实际湍流团聚情况。

　　图5 某一时刻涡量场中的亚微米颗粒物分布

　　2.2 入口烟气流速的影响

　　5种流速均可使亚微米颗粒物发生湍流团聚，出口粒径分布的峰值相较于初始值均向大粒径方向偏移，证明了湍流团聚对粒径分布的影响。随流速升高，亚微米颗粒物的团聚效果逐渐减弱，在40.0～68.5 nm最为明显。

　　图6 不同流速下进出口亚微米颗粒物粒径分布

　　随流速升高，二者均下降，缩短停留时间会降低颗粒物团聚效率，但单位停留时间下的团聚效率随流速的升高而升高，主要是由于流速升高，流场内各处的湍流耗散率升高。因此选择进口流速时，既要保证流场中湍流耗散率的大小，又要兼顾颗粒在流场中的停留时间。

　　图7 不同流速下亚微米颗粒物的团聚效率以及平均停留时间

　　进口流速升高会造成通道进出口压差升高，且升高速率随流速的升高而升高。随着进口流速升高，通道内流动阻力增大，影响湍流团聚效果，甚至影响烟气排放。因此实际应用中，需合理控制烟气流速。

　　图8 不同流速下进出口压降变化

　　2.3 扰流件排布对亚微米颗粒物团聚的影响

　　顺排对PM0.1与PM1的团聚效率分别为26.5%及18.9%，错排对PM0.1与PM1的团聚效率分别为28.4%及20.1%。PM0.1和PM1错排的团聚效率都大于顺排，两者团聚效率差距不大，但其对颗粒团聚的影响并不能简单从团聚效率角度来衡量。

　　图9 不同排布类型对应的团聚效率

　　顺排中元件形成的尾涡会与其后面元件产涡发生耦合作用，使扰流件尾迹区的涡街充分发展，可以长距离携带小惯性颗粒，增加了湍流耗散率的有效距离。

　　图10 顺排时的速度场与涡量场

　　错排结构使得颗粒更易撞击扰流件壁面，有助于颗粒横向移动并跟随涡流撞击下一个扰流件迎风面，增大团聚几率。但同时，错排结构中扰流件迎风面更易受到亚微米颗粒物的侵蚀，因此工业应用需要对这部分表面采用特殊处理以防止受到侵蚀。

　　图11 错排时的速度场与涡量场

　　2.4 扰流件形状对颗粒团聚的影响

　　为探究扰流件形状对亚微米颗粒物团聚的影响，对3种形状的扰流件进行数值模拟。为节约计算成本，选取单个扰流件进行模拟计算，分析其对亚微米颗粒湍流团聚的影响。

　　图12 研究扰流件形状影响所用计算模型

　　采用Y型涡片作为扰流元件团聚效果最好，圆柱效果最差，主要原因是Y型元件产涡能力强，且圆柱对流场扰动能力弱，产生的湍流强度比较弱，使得湍流耗散率较低，导致颗粒碰撞几率降低。

　　图13 不同扰流元件下颗粒团聚前后粒径分布

　　Y型涡片对流场作用产生的湍流耗散率最强，提高了颗粒的碰撞几率，且Y型涡片前端还有导流作用，尾迹区产生的漩涡固定性好，携带小颗粒能力强。而三角形扰流柱也可扰动产生可观的涡流，但其迎风面积比Y型涡片小，因此团聚效率相对较小。

　　图14 3种形状扰流件的湍流耗散率场

　　3结 论

　　1）亚微米颗粒的团聚效率随颗粒粒径增大逐渐减小，粒径大于593.5 nm后团聚效率为负。团聚试验段的壁面效应以及亚微米颗粒的破碎等动力学行为不可忽视，相关机理模型有待进一步优化。

　　2）进口流速升高使得亚微米颗粒的团聚效率逐渐减小，虽然流速升高会使湍流耗散率升高，但同时颗粒在团聚段的停留时间变短，导致各组分颗粒浓度降低严重影响颗粒团聚效果，且流速过大会导致进出口压降过大，影响颗粒团聚及烟气排放。

　　3）3种扰流元件对亚微米颗粒物团聚效率从高到低分别是Y型涡片、三棱柱、圆柱。顺排和错排2种排布的团聚效率相差很小，顺排PM1团聚效率为18.9%，错排PM1团聚效率为20.1%，但其流场分布以及增强亚微米颗粒团聚的机理完全不同。在工业应用中应考虑材料磨损和颗粒沉积对运行的影响。

　　引用格式

　　冯鹏,盛虎,周虎,等.亚微米颗粒物湍流团聚数值模拟研究[J].洁净煤技术,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.