荷电液滴捕集颗粒物变尺度建模及捕集机理

Electrostatic spray particulate removal is one of the most high-efficient wide-range (diameter of particles) particulate control technologies, which is particularly good at removing PM2.5. The key for the high-efficient capture is that the electrostatic field strengthens the phase interactions between droplets and particles. In which, the multiphase flow process of particles impacting droplet surface decides whether they can be captured successfully. Consider that it is difficult to accurately observe the impact process in micro or submicron scale, this project intends to study the interaction mechanisms between charged liquid surface and particle in a scale-up way. Specifically, the impact of micro scale particle onto charged liquid will be investigated theoretically to find a rational similarity law. Based on which, a millimeter scale experimental model will be established and the impact of millimeter particle onto liquid will be observed by modern multiphase flow measurement technologies. Furthermore, the motion characteristics of the particle and liquid-solid interface will be analyzed and the capture mechanisms will be revealed. In numerical aspect, the mathematical based dynamic criteria of particle impacting liquid surface will be summarized by dimension analysis firstly. Next, a multiphase full flow field calculation model coupled with the impact criteria for charged droplets capturing particles will be established, which is attempted to study the removal efficiency influenced by key parameters. The project will lay a foundation for development of high effective particle removal technology.

静电喷雾除尘是目前最高效的宽域（颗粒物粒径范围）颗粒物脱除技术之一，尤其是对PM2.5脱除能力显著。荷电液滴高效捕集颗粒物的关键是电场强化液滴与颗粒相间作用，其中颗粒撞击荷电液滴表面的多相流过程决定了其是否能被成功捕集。鉴于颗粒的微米/亚微米级尺度，难以通过可视化测量手段对这一过程进行精确捕捉和描述。本项目拟通过放大尺度方式研究捕集过程中颗粒撞击荷电液面的相间作用机制。理论分析微米级颗粒撞击荷电液面影响因素，确立合理相似律并以此为桥梁，构建毫米级变尺度放大模型实验平台，利用现代多相流动可视化测试技术，精确捕捉颗粒撞击荷电液面过程，分析电场作用下颗粒运动和相界面变化规律，探索固液相间作用机制，揭示荷电液滴对微米级颗粒物的捕集机理。利用量纲分析手段获得颗粒捕集临界数学判据，尝试建立耦合临界数学判据的多离散相全流场捕集模型，研究关键参数对捕集效率的影响，为发展高效颗粒物脱除技术奠定理论基础。

静电喷雾降尘是一种结合传统喷雾除尘和静电除尘的新技术，能够高效脱除烟气等排放源中的颗粒物，尤其是PM10和PM2.5等细颗粒物，具有良好的应用前景。静电喷雾降尘过程涉及气-液-固多相流动及多场耦合等问题，降尘机理十分复杂，基础理论尚不完善。本项目以此为背景对液滴捕集颗粒物过程的多相流动以及电场协同作用等问题进行了实验和数值模拟研究，旨在为静电喷雾降尘技术的发展提供必要的理论基础。提出了一个基于二维放大物理模型模拟液体表面粗糙颗粒的毛细管效应。推导了粗糙表面的轮廓长度和其投影长度之间的关系；讨论了均匀和非均匀润湿条件下毛细力与固体表面粗糙度之间的关系并通过相关方程被等效地应用于粗糙颗粒。对非荷电和荷电工况下不同速度亚毫米球体撞击液滴行为进行了实验研究。两种工况颗粒动力学行为类似，但是荷电工况会引起颗粒加速，促使各撞击特征前移；撞击行为呈现振荡和浸入两种模式，润湿过程中接触线固定点方位角与撞击角线性正相关；冲击阶段形状阻力主导撞击行为，球体动能损耗量与撞击速度正相关；空穴发展阶段由表面张力主导；振荡模式空穴长度与韦伯数We正相关，空穴发展速度差异较小；根据量纲分析及实验结果拟合得到临界浸入韦伯数与撞击角度关系式。针对荷电液滴群捕集颗粒物过程中系统参数对捕集效率的影响，基于计算流体力学-离散元法(CFD-DEM)，数值模拟了荷电液滴群捕集非均匀粒径颗粒物。结果表明：库仑斥力影响下，液滴群运动过程中不断向外扩展，颗粒物聚集形态不断变化。静电沉积占主导地位时，捕集效率对液滴间距不敏感，液滴间距可以认为是喷雾密度，即除尘效率受喷雾密度影响较小；增大液滴荷电量提升的捕集效率主要来自对粒径小于5 μm颗粒物的捕集；液滴粒径对捕集效率的影响较小；液滴速度对单位时间捕集效率影响较小，但降低液滴速度可以延长其扫掠时间，从而提升捕集效率。

内容获取失败，请点击重试