放电极结构对流场影响的模拟研究

李文静

（新南威尔士大学 澳大利亚新南威尔士州 4385）

1 简介

在净化工业烟气领域中，静电除尘器（ESP）作为一种利用电力作用分离含尘气体中固体或液体粒子的装置，凭借其效率高，能耗低的特点在冶炼、化工、建材、电力等行业得到了广泛应用。但由于静电除尘器是一个密闭结构，难以观察到具体的除尘过程，并且粉尘在静电除尘器内的运动轨迹十分复杂，越来越多的研究人员通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）对静电除尘过程进行模拟分析。

目前较为常用的商用CFD 软件是FLUENT 软件，它专门用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动问题与热交换问题[1]。近年来，国内外已经开展了许多针对于线板式静电除尘器的CFD 模拟计算。张建平等人[2]采用Gambit 和Fluent 数值模拟分析了不同离子风和磁场环境下中位粒径对静电除尘器除尘效率的影响。Niloofar Farnoosh 等人[3]利用FLUENT 软件对单电晕极的线板式静电除尘器进行了三维数值模拟，来研究固定电场条件下离子风与主气流之间相互作用的气流模式以及颗粒的运动轨迹和沉积。本文中同样利用FLUENT 软件对电极上带有不同对数芒刺的线板式静电除尘器的除尘过程进行了模拟，分析不同芒刺数量对颗粒轨迹和除尘效果造成的影响。

2 FLUENT模型

2.1 几何模型及参数

本文中建立的物理模型（图1所示）长度为0.6m，宽度为0.17m，高度为0.1m，电晕线厚度为1mm，尖端长度为10mm。本文利用Gambit 进行网格划分，对边界、电晕极附近及对称面上进行网格细分。

2.2 数值模型的建立

在线板式静电除尘器中，为建立电场模型，采用泊松方程和电流连续性方程描述离子电荷密度和电场强度。本文对静电除尘器内气相的模拟采用湍流模型。考虑到计算资源和计算容量以及关注的实际除尘问题，本文采用雷诺平均方法(RANS)，将除尘器内的介质流动视为不可压缩流体的等温定常流动，并采用FLUENT 软件提供的标准k-ε 模型进行运算。

2.3 边界条件设定

选用速度入口边界条件，在进行静电除尘器中的气固两相流模拟计算时，空气和粉尘粒子混合气体从入口处以0.6m/s 的速度进入除尘器，粉尘粒子直径取0.1μm、0.25μm、0.5μm、1μm、10μm。电晕线运行电压为30kV，线板间距为0.085m。湍流强度设定为2%，粘性比为5。选用压力出口边界条件，湍流强度设定为2%，粘性比设定为5。壁面边界条件为光滑、绝热、无滑移。电场边界等具体的边界条件设定如表1所示。

图1：线板式静电除尘器物理模型示意图

图2：具有1-4 对尖端的ESP 内z=0 方向上的速度矢量图

图3：粒径与除尘效率关系曲线

3 结果与分析

3.1 尖端数对流场的影响

将同一粒径大小的粉尘在入口平面上均匀释放，利用FLUENT软件绘制粉尘在具有不同数目尖端的ESP 内z=0 平面上的速度矢量图（如图2所示）。很显然，在具有一对尖端的ESP 中颗粒的速度分布较为均匀。受电场力影响，粉尘速度在尖端处最大，在除尘器内其他位置速度大小几乎相同。在靠近入口的尖端附近，以两尖端顶点连线为对称轴出现了两个上下对称的反向涡流，这是由于尖端附近的电场力非常大，推动粉尘粒子向气流的反方向运动。而粉尘粒子的较大位移会加剧气流的湍流程度，湍流脉动使一部分粒子的运动时间变长，一部分粒子的运动时间变短，甚至使部分粉尘粒子无法沉降到收尘板上。总体而言，气流在具有一对尖端的除尘器内分布均匀，充满了整个静电除尘器内部。

在具有两对和三对尖端的静电除尘器内，速度在尖端处增大，气流在靠近入口的尖端附近，以每对尖端顶点的连线为对称轴形成一对上下对称的反向涡流，即两对尖端形成4 个涡流，三对尖端形成6 个涡流。但在具有两对以上尖端的ESP 内，气流在经过电晕极后有向中心集中的趋势，在后半部分的收尘板附近的速度矢量减少，这可能是放电极上的电场过于集中导致的，并且这一现象将对粉尘粒子的捕集产生不利的影响。

在具有四对尖端的静电除尘器内，尖端处的速度明显大于其他位置的速度，气流在靠近入口的尖端附近，以x=0 为对称平面形成4 个反向的涡流，上方的两个涡流为顺时针方向，下方的两个涡流为逆时针方向。在第二对和第三对尖端之间没有形成涡流，这是尖端之间电场力相互影响与抵消的结果。从图中也可以看出，在经过电晕极后，第一对和第四对尖端电极对气流的推动作用比第二对、第三对大的多，说明在具有四对尖端的静电除尘器中，尖端之间的相互影响非常剧烈。

表1：边界条件设定

表2：粒径与尖端对数对除尘效率的影响

3.2 尖端数对除尘效率的影响

表2 和图3 对比了具有不同尖端数的静电除尘器对不同粒径颗粒的除尘效率，可以看出，具有不同数目尖端的静电除尘器对粒径为0.1、0.25、0.5 和1μm 颗粒的除尘效率都不高于50%，而对10μm 颗粒的除尘效率几乎都达到了90%以上，说明具有尖端电晕极的静电除尘器对于大颗粒的除尘效果较好。这是由于对于粗粉尘而言，颗粒荷电的方式主要是电场荷电。根据颗粒电场荷电方程，颗粒荷电量正比于粒径，且电场力F=qE，因此电场力也正比于粒径。粉尘粒径越大，受到的电场力就越大，除尘效率越高。对于细粉尘而言，颗粒荷电的方式主要是扩散荷电，静电除尘器的除尘效率随粒径增大而降低，这一点与模拟得到粒径为0.1～0.5μm 颗粒的除尘效率变化趋势相吻合。

对于同一大小的颗粒，具有三对尖端的静电除尘器的除尘效率最高，具有一对尖端的静电除尘器的除尘效率最低。这是由于一对尖端的电荷密度不够大，导致除尘效率提升的范围不大；而四对尖端之间的相互影响太剧烈，反而使除尘效率降低。总体而言，粒径与除尘效率的关系曲线趋势与预测的相同。

4 结论

本文建立了具有不同数目尖端的静电除尘器的数值模型和几何模型，并通过FLUENT 软件构建了合适的控制方程和边界条件，对其进行了模拟计算，从而得出了不同尖端数对静电除尘器内流场分布、颗粒运动轨迹和除尘效率的影响。

电场对流场具有影响，其表现形式为离子风，具体表现形态为涡流。上文中阐述的模拟结果表明4 对尖端对彼此之间的影响比1-3对尖端大得多。除此以外，本文中计算了具有不同数目尖端的静电除尘器对粒径为0.1、0.25、0.5 和1μm 颗粒的除尘效率，对比发现：对于同一粒径的粉尘粒子，具有三对尖端的除尘器除尘效果最好，具有一对尖端的除尘器除尘效果最差；对于同一尖端数的除尘器，针对粒径为10μm 颗粒的除尘效果最好，针对粒径为0.5μm 颗粒的除尘效果最差。