荷電液滴捕集顆粒物機(jī)理和特性的研究.pdf

1、顆粒物污染嚴(yán)重影響公共健康和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我們國(guó)家尤為嚴(yán)重。大氣顆粒污染物成分復(fù)雜，區(qū)域分布差異性明顯，從源頭上限制顆粒物排放是治理顆粒物污染的最有效途徑之一。靜電噴霧降塵是一種結(jié)合傳統(tǒng)噴霧除塵和靜電除塵的新技術(shù)，能夠高效脫除煙氣等排放源中的顆粒物，尤其是PM10和PM2.5等細(xì)顆粒物，具有良好的應(yīng)用前景。靜電噴霧降塵過(guò)程涉及氣-液-固多相流動(dòng)及多場(chǎng)耦合等問(wèn)題，降塵機(jī)理十分復(fù)雜，基礎(chǔ)理論尚不完善。本文以此為背景，對(duì)荷電液滴捕集顆粒物過(guò)程中顆

2、粒在氣相介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)、顆粒與液滴自由界面的相互作用等問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，旨在為靜電噴霧降塵技術(shù)的發(fā)展提供必要的理論基礎(chǔ)。本文的研究工作主要包括：
　　1.對(duì)荷電液滴捕集顆粒物的過(guò)程進(jìn)行了可視化研究。利用高速數(shù)碼攝像結(jié)合顯微放大技術(shù)捕捉了懸垂荷電液滴吸附顆粒物過(guò)程。獲得了顆粒在氣相介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)受力和荷電量等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)顆粒物運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，同時(shí)為數(shù)值模擬研究提供必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　研究了顆粒物撞擊荷電液滴的動(dòng)力學(xué)

3、行為。顆粒撞擊荷電液滴有幾率出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。研究首次發(fā)現(xiàn)顆粒對(duì)荷電液滴的撞擊角小于85°時(shí)反彈概率接近50％。顆粒傾斜撞擊荷電液滴產(chǎn)生的切向速度分量能夠極大地削弱由液滴表面提供的粘附力，并且傾斜撞擊也會(huì)降低顆粒的法向撞擊速度，減小其潤(rùn)濕面積，進(jìn)一步削弱粘附力作用，致使顆粒極易脫離液滴表面。顆粒脫離后極性與液滴相反，受庫(kù)侖斥力影響被排斥逃逸。
　　研究了荷電液滴捕集顆粒微團(tuán)的機(jī)理和特性。通過(guò)觀察捕集過(guò)程中顆粒微團(tuán)的動(dòng)力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)荷電

4、液滴對(duì)顆粒微團(tuán)的捕集效率較低。顆粒微團(tuán)較大的體積使其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中吸收大量氣體電離產(chǎn)生的空間自由電荷，導(dǎo)致部分顆粒微團(tuán)極性與荷電液滴一致，在到達(dá)液滴表面以前受庫(kù)侖斥力作用被排斥逃逸。到達(dá)液滴表面的顆粒微團(tuán)由于結(jié)構(gòu)松散，在撞擊液面后解體，大部分子顆粒被排斥逃逸。另外，顆粒微團(tuán)在氣相介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中出現(xiàn)了“同極性相互吸引”現(xiàn)象，即大小不同但極性相同的顆粒微團(tuán)首先聚并，然后向荷電液滴運(yùn)動(dòng)。本文推導(dǎo)了同極性顆粒微團(tuán)相互聚并的臨界條件。
　　

5、2.對(duì)荷電液滴捕集顆粒物過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，綜合考慮顆粒的粘附、反彈和浸入等動(dòng)力學(xué)行為，建立了基于歐拉-拉格朗日方法的荷電液滴捕集顆粒物模型。數(shù)值模擬了懸垂荷電液滴捕集顆粒物過(guò)程并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性。對(duì)氣流作用下荷電液滴捕集顆粒物過(guò)程的多相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了斯托克斯數(shù)(St)和庫(kù)侖數(shù)(Kc)對(duì)荷電液滴捕集能力的影響，給出了荷電液滴高效捕集顆粒物的參數(shù)區(qū)間。
　　3.對(duì)顆粒物在荷電液

6、滴表面沉積特性進(jìn)行了可視化研究。首次利用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置觀察了荷電液滴經(jīng)自由落體捕集顆粒物并在載玻片上鋪展后顆粒物的沉積情況。分析了液滴下落高度和荷電量等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)顆粒物沉積特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與非荷電工況相比，荷電液滴對(duì)顆粒物的捕集量高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上；被捕集顆粒在液滴表面受毛細(xì)力影響會(huì)出現(xiàn)相互吸引現(xiàn)象，即液滴表面顆粒物發(fā)生明顯團(tuán)聚；液滴的迎風(fēng)面為主要捕集區(qū)域，但顆粒物實(shí)際沉積區(qū)域小于液滴的半球面；在有限的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，液滴對(duì)顆粒物的吸