基于多维多相颗粒群湍流模型的PM2.5粉尘动力学演变特性

PM2.5(Particles that aerodynamic diameter less than 2.5μm, referred to as the PM2.5 or the PM2.5 dust) has become a prominent pollution problem in mines, coal-fired power plants and other industries as well as the atmospheric environment. There is no definite conclusion about the formation, development and evolution mechanism of PM2.5. Especially, the micro-evolution characteristics such as collision, coagulation, breaking, condensation/evaporation, nucleation and deposition of PM2.5 particles group has hardly been studied, which could postpone the depth development of the PM2.5 removal technology. The multidimension multiphase PM2.5 particle group turbulence simulation system is established by using the Monte-Carlo algorithm combined with the probability density function model of two-phase turbulent flow. The Micro-PIV experimental table consisting of electrostatic precipitation, bag dust removal and spraying dust removal is built. In order to achieve the numerical simulation of multidimension multiphase particle group turbulence, the numerical calculation is combined with the experimental study to reveal the dynamic evolution characteristics such as collision, coagulation, breakage, condensation/evaporation, nucleation and deposition of PM2.5 particle group. Through the this method, the quantitative relationship between the removal efficiency of PM2.5 and the related influencing factors has been determined.

PM2.5(空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物，简称为PM2.5或PM2.5粉尘)已成为煤矿、非煤矿山等行业乃至大气环境污染的突出问题。PM2.5的形成、发展及演变机理目前尚无定论，尤其是PM2.5颗粒群的碰撞、凝并、破碎、冷凝/蒸发、成核以及沉积等细观动力学演变特性的研究几乎属于空白，这直接影响着PM2.5脱除技术的深入发展。本项目采用 Monte-Carlo算法、两相湍流概率密度函数模型相耦合的手段，建立多维多相PM2.5颗粒群湍流模拟体系，同时搭建静电除尘、布袋除尘以及喷雾除尘三种基本除尘方式的显微三维粒子图像测速实验台，通过数值计算和实验研究相结合的手段，实现多维多相湍流颗粒群细观行为的数值仿真，深刻揭示PM2.5颗粒群的碰撞、凝并、破碎、冷凝/蒸发、成核以及沉积等动力学演变特性，确定静电除尘、布袋除尘以及喷雾除尘三种基本除尘方式下的PM脱除效率与相关影响因素的量化关系。

通过采用大涡模拟方法模拟气相湍流，建立了气相亚格子湍动能模型；考虑了颗粒相间作用的各向异性和线性多尺度Kp-εp湍流模型，构建了气相大涡模拟—颗粒相湍流多维动力学模型。诱导气流是全尘及PM2.5产生的主要原因，阐述了在煤料下落区、煤料核心区和煤料碰撞区三个时间段诱导气流的形成过程及产尘机理，并采用Fluent软件数值模拟了不同时刻、不同断面的诱导气流场与粉尘场的运移规律，推导出煤料下落速度和下落高度与诱导气流量的幂函数关系式；采用计算流体力学动态网格技术与离散相模型的粒子跟踪技术相结合的新算法获得了典型尘源粉尘颗粒的扩散规律。.通过数值计算和实验相结合的手段，对气动微雾雾化过程及雾化机理进行了详细分析。分析了喷嘴内部两相流态和涡流场中雾滴颗粒的破碎过程；以雾滴破碎模型、蒸发模型、碰撞模型为理论基础，获得了喷雾过程中计算模型网格数、喷雾颗粒数和时间步长等计算条件参数对喷雾模型计算的影响结果；模拟了气动微雾多喷嘴的雾化干涉过程，获得了破碎距离与雾化角随气路压力的变化规律；研究了气动微雾技术的多喷嘴雾化干涉特性，并得出了喷嘴数目对雾滴粒径、雾滴速度和除尘效率的影响关系；确定了气动微雾技术多喷嘴雾化的气路压力、喷嘴口径、诱导气流和喷嘴间距等影响因素对雾化效果的影响，确定了多喷嘴雾化参数选择依据。.建立滤料纤维层的几何模型，利用多维颗粒群湍流模型，运用CFD 软件对滤料纤维层的过滤过程进行了数值模拟研究，考虑粉尘颗粒的碰撞、凝聚作用，在微观层面分析了滤料纤维层的过滤过程及除尘机理；并采用实验的方法对除尘管道内粉尘质量浓度、入风侧风速、阻力、滤料上粉尘层的重量等参数进行量化分析，并且通过对实验数据进行对比分析，得到全尘及PM2.5脱除效率、粉尘粒径、过滤风速之间的关系。