基于蒙特卡罗模拟及PIV测量对双极荷电细微颗粒在气固两相流场中碰撞和凝聚行为的机理研究

工业上难以捕集的细微颗粒排入大气对人类健康危害极大，双极凝聚技术则是提高细微颗粒捕集效率的重要途径。国内外对双极凝聚的理论研究主要体现在推导凝聚系数解析表达式并求解相应的颗粒数量浓度随时间演化的平衡方程，从而解释双极凝聚的静电凝聚机制。为了进一步揭示双极凝聚中不可避免的湍流凝聚机制，本项目发展了一种从气固两相流角度研究双极凝聚的技术途径，通过扩展中性颗粒碰撞计算的蒙特卡罗方法，数值模拟荷电颗粒间的碰撞和凝聚效应，从微观动力学层次获得双极荷电颗粒的静电凝聚和湍流凝聚机制。针对国内外双极凝聚实验技术上的不足，本项目首先利用PIV测量两相速度场，检验数值模拟代码精度，并利用PIV在线测量双极荷电颗粒凝聚前后的数量浓度和粒径分布，定量研究双极凝聚效果，与理论及数值模拟一起，共同揭示双极凝聚深层机理，为双极凝聚技术的实际应用提供科学依据。

通过研究双极荷电细微颗粒在电流体场中输运、动态荷电，以及发生碰撞和凝聚，本文得到如下结论：（1）数值求解电场作用下的流场规律，得到无量纲准数NEHD（流体微团所受电体积力与惯性力的比值）控制下的电流体场规律。当NEHD→∞时，每根电晕线周围存在四个对称的涡旋结构；当NEHD→0时，电晕线周围的涡旋结构消失，流线几乎是相互平行的。（2）数值模拟颗粒在凝聚段入口处的颗粒初始电荷分布，发现电荷分布数量频率具有对数正态分布函数的特点；颗粒荷电的平均数量与粒径的平方成正比，与应用电压成比例；来流速度越低，即颗粒在荷电段滞留的时间越长，颗粒所带的电荷也越多。（3）两个荷电颗粒发生碰撞条件由碰撞概率决定，碰撞后发生凝聚的判据则取决于荷电颗粒间的吸附能是否大于排斥能。对于带同种电荷的两个颗粒，静电能属于排斥能；对于带异种电荷的两个颗粒，静电能属于吸附能。而表面能或动能总是属于吸附能或排斥能。（4）直流和交流外电场对双极凝聚的影响都是使双极荷电颗粒发生充分混合，提高荷电颗粒间的碰撞概率来增强双极凝聚效果；对于特定的电流体场及颗粒直径，只有当荷电颗粒所受电场力与阻力的量级之比接近于1时，外电场才能达到增强双极凝聚效果的目的；在相同条件下，颗粒直径越大，外电场对双极凝聚的影响也越大；双极凝聚效果与交流外电场的频率无关。（5）数值求解颗粒数量平衡方程，得到颗粒碎裂模型对双极凝聚的影响规律。相对于未考虑碎裂模型（仅凝聚模型），当考虑碎裂和凝聚模型时，颗粒的数量浓度并不是随任意电荷量单调减少的；而且颗粒的体积也并不是随任意尺寸段单调减少的。碎裂导致小粒径且带电量少的颗粒数量浓度增加，而大粒径且带电量大的颗粒数量浓度减少。