研究试验的荷电气固两相流动管内输运流场

1、研究试验的荷电气固两相流动管内输运流场 荷电两相流动广泛存在于生产实践和自然界如:静电喷涂1, 2(雾,粉)、静电除尘3、静电燃油喷雾技术4-6、静电强化传热以及大气中的荷电微粒、雷雨等之中.工业生产过程中产生的微米级和亚微米级的细微颗粒,亦即可吸入颗粒物,由于极易附集有毒有害物质,长时间长距离漂浮在空气中,很容易被吸入肺部,危害人身健康.而这类粉尘颗粒,无论是对工业除尘还是对空调净化,都由于其粒径太小而难以去除.因此,细微颗粒物的净化是当今世界范围内的热点和难点.将细微颗粒凝并为较大颗粒以及对大颗粒进行去除是解决这一问题的有效途径, 可见,颗粒凝并7是实现这一转化的主要研究方向. 理论上颗粒

2、凝并的方式有多种,如:热凝并,声凝并,磁凝并,电凝并8等.对比现有的凝并技术,利用电凝并方式除去细微颗粒物是一种高效率,低消耗的方法. 异极性荷电颗粒凝并原理.输送气流中的细微颗粒经过充电电极后,被荷予不同极性电, 通过输运段进入凝并段混合凝并.因为凝并过程与颗粒荷电量、速度以及颗粒的物理特性等有关,且颗粒的荷电行为仅发生在输运段,所以,颗粒的荷电过程以及单极性颗粒的输运过程对凝并流场有重要影响.考虑到正极性颗粒的输运过程与负极性颗粒的输运过程极为相似,本文仅研究颗粒荷负电的输运段流场:利用非接触测量方法研究细微颗粒群在输运段出口的平均荷电量;使用流场测量技术PIV研究荷电颗粒输运流场随电压的

3、变化情况. 荷质比的测定9 荷质比是体现颗粒荷电特性的重要参数.试验用600目钛白粉模拟锅炉烟气微尘,通过改变充电电压来研究粉尘的荷电特性.试验采用网状充电电极,参照网状目标法建立荷质比测定装置.装置由多层金属网、精密微安表、精密电子天平、秒表等组成. 论文发表荷电颗粒群接触到接地的金属网后形成回路,电荷在金属网上产生微电流,精密微安表可测出这一电流值,秒表测定微电流的时间,精密电子天平测量金属网收集的颗粒质量,. 利用公式(1)可求出荷质比. Aq=q/m=It/m( 1 ) 式中Aq为荷质比,C/kg;q为荷电量,C;I为电流强度,A;t为测量时间, s;m为颗粒群质量, kg,调节负高压

4、发生器电压由0 kV开始减小,当低于 -10 kV时,微电流表开始显示数值,可认为钛白粉颗粒在充电电压低于-10 kV时才能荷上电.颗粒的荷质比随充电电压降低而增大.荷质比在充电电压 -(3050) kV区域增长率较大,且充电电压接近 -60 kV时达到饱和荷电量. PIV测量与分析 PIV系统主要参数和实验装置 PIV技术10的出现和发展,解决了要同时获得整场瞬态信息和高分辨率的难题,为荷电两相流场的研究提供了新的试验手段.试验中采用美国TSI 公司的PIV系统,激光器工作频率为15 Hz,激光波长532 nm,单个脉冲能量为120 mJ,系统的最大采样率为3. 7帧/秒.针对本试验PIV系

5、统的配置,根据PIV测量所遵循的原则及输粉流动的速度,系统的参数选择如下:脉冲间隔90s,像素显示为1 347 1 024像素.实际测量区域为100 mm200 mm. 荷电气固两相流动PIV实验系统是将颗粒荷电实验装置和PIV系统两者结合而成.稳定送粉压力为0. 23MPa,输粉速度为4. 8 m/s,充电电压为:0 kV, -30 kV, -40 kV, -50 kV, -70 kV. PIV测量结果与分析 PIV测量的是荷电气固流体离开网状电极区域的流场分布情况.由于在现有试验条件下无法测量整个输运段流场,故仅选择能体现流动主要特性的中垂面进行有界流动的研究,速度云图、涡量以及湍动能分布

6、图运用二值化互相关图像处理算法11,获得了不同充电压下颗粒的速度、涡量及湍动能分布图,断面中心轴线坐标为y=170mm. 流场分析分析非荷电工况的颗粒流场信息,从速度云图可以看出颗粒沿轴线方向的速度梯度有明显的衰减,由于边壁效应,颗粒沿底面法线负方向的速度有明显的梯度. 对荷电流场进行PIV测量,从获得的结果可以发现由于流场和电场间耦合作用导致颗粒流场特性的变化明显,且电场对颗粒流场的作用规律随电压的变化呈非线性. 在-30 kV的充电电压下,与非荷电流场相比, 颗粒沿轴向速度有所增大,且颗粒速度沿底面法线负方向的梯度变大,从流场的整体看湍动能有所减小,涡的尺度减小,涡量值分布明显增大.充电电

7、压降至-40 kV,颗粒沿中心轴线的速度增大,与-30 kV充电电压下的流场相比,颗粒速度沿底面法线负方向衰减得更快,且沿轴线方向速度梯度减小,湍动能值减小,且明显低于非荷电工况以及荷电-30 kV 时的流动情况,涡量值分布增大,但与荷电-30 kV 时相比流动变化不是很明显.电压降至-50 kV,与 -40 kV充电电压下流动相比,颗粒速度沿底面法线负方向的梯度减小;颗粒沿中心轴线速度变化与 -40 kV的情况相似,但湍动能值分布较-40 kV时增大,涡量值与-40 kV相比有所增大.电压降低到 -70 kV,与-50 kV相比,速度沿底面法线负方向的梯度增大,涡的尺度减小,且有较大的涡量值

8、,湍动能值与-50 kV的工况下相比有所减小. 结论通过对不同充电工况下管内输运流动有界流场的测量,从荷电气固两相流动流场速度、涡量、湍动能的分布可以发现,流场在随电压降低的过程中,变化规律呈现波动性.归纳如下: (1)对比非荷电与荷电的速度云图,荷电颗粒在轴向的速度衰减梯度要小于非荷电颗粒. (2)从非荷电与荷电工况的流场涡量图可以看出,边界区域的涡量值最大,由于带电颗粒与零电位边界相互吸引,荷电工况下的流场边界的涡量值大于非荷电工况,且随荷电电压降低而增加. (3)中心轴线区域,涡量值随充电电压的减小而增大,即在电场力作用下颗粒受流体的约束变小. 荷电颗粒旋转角速度随充电电压的降低而变大,

9、即自由度变大. (4)比较各工况湍动能图,荷电颗粒的湍动能值随电压的降低而呈现单峰特性,在-50 kV时达到最大值.参考文献(References) 1 应保胜,高全杰,王家青.静电喷涂中荷电油液的雾化研究J.表面技术, 2003, 32(5): 12-15. 2 BottnerCU, SommerfeldM. Numerical calculation ofe-lectrostatic powder painting using the Euler/Lagrangeapproach J.Powder Technology, 2002 (4): 206 -216. 3 许德玄.静电除尘预荷电的

10、研究 J.环境工程,1997, 15(6): 25-28. 4 于水,李理克,胡宗杰,等.静电喷雾液滴破碎的理论边界条件研究J.内燃机学报, 2005, 23(3): 239-243. 5 闻建龙,王军峰,张军,等.柴油机高压静电雾化燃烧的研究J.内燃机学报, 2003, 21(1): 31-34. 6 Matthew E Thomas, RobertoDisalvo. Electrostatic atom-ization insertion into compression ignition enginesC.SAE Paper, 20023053, 2002. 7 Laitinen A, Hautanen J, Keskinen J. Bipolar chargedaerosol agglomeration with alternating electric field inlaminar gas flow J.Electrostatics, 1996, 38: 303 -315. 8 StanleyB Grant. Kinetic theories for the coagulation andsedimentation of particles J.Journal ofColloid