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可吸入颗粒物声波分离的数值模拟

作　者: 康明
导　师: 徐江荣；刘彦
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 应用数学
关键词: 可吸入颗粒物声波团聚旋风除尘器数值模拟团聚核函数团聚动力学方程
分类号: X513
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章绪论  9-15
  1.1 声波团聚研究概述  9-13
    1.1.1 声波团聚宏观效果研究  10-11
    1.1.2 声波团聚机理研究  11-13
  1.2 本文研究的主要内容  13-15
第2章细颗粒在行波声场中的受力特征  15-25
  2.1 细微颗粒在平面行波声场中的受力  15-18
  2.2 行波声场中颗粒受力数值计算  18-20
  2.3 行波管内颗粒团聚的数值模拟  20-24
    2.3.1 管道中流场的模拟  20-22
    2.3.2 管道中颗粒运动的模拟  22-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章声波团聚颗粒动力学的数值计算  25-32
  3.1 声波团聚动力学模型  25-26
    3.1.1 声波夹带系数和团聚体  25-26
    3.1.2 团聚动力学方程  26
  3.2 声波团聚核函数  26-29
  3.3 求解颗粒团聚动力学方程  29-31
    3.3.1 数值求解方法  29-30
    3.3.2 数值模拟结果  30-31
  3.4 本章小结  31-32
第4章带声场处理的旋风除尘器的数值模拟  32-50
  4.1 模拟对象─旋风除尘器  32-33
  4.2 旋风除尘器内除尘过程的数学模型  33-37
    4.2.1 质量和动量的时均方程  33-34
    4.2.2 湍流模型  34-36
    4.2.3 边界条件与差分格式选择  36-37
  4.3 颗粒模型  37-38
  4.4 数值模拟结果及分析  38-42
    4.4.1 气相模拟结果  38-41
    4.4.2 旋风分离器内颗粒相的模拟结果  41-42
  4.5 颗粒全流场数值模拟  42-47
    4.5.1 全流场气相的模拟  42-44
    4.5.2 全流场颗粒相模拟  44
    4.5.3 未加声波时颗粒全流场的运动轨迹  44-46
    4.5.4 加声波后颗粒全流场的运动轨迹  46-47
  4.6 团聚后运动轨迹模拟  47-49
    4.6.1 团聚核函数对除尘效率的影响  47-49
  4.7 本章小结  49-50
第5章全文的总结和展望  50-52
  5.1 全文的总结  50-51
  5.2 存在的不足和工作展望  51-52
致谢  52-53
参考文献  53-56
附录  56

可吸入颗粒物声波分离的数值模拟

内容摘要

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