擾流件排列對(duì)亞微米顆粒湍流團(tuán)聚效率影響研究

李正鴻，劉鶴欣，楊富鑫，馮 鵬，譚厚章

(西安交通大學(xué) 熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

0 引 言

細(xì)顆粒物是導(dǎo)致霧霾天氣的主要原因，近年來，細(xì)顆粒物污染已成為社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)問題，特別是當(dāng)量動(dòng)力學(xué)直徑小于1 μm的亞微米顆粒(PM1)能夠在空氣中長(zhǎng)時(shí)間懸浮和遠(yuǎn)距離輸送，且由于其顆粒粒徑小，比表面積大，易直接或間接吸附空氣中的重金屬和其他有毒物質(zhì)進(jìn)入人體，危害人類健康[1-2]。而燃煤工業(yè)是細(xì)顆粒物排放的主要來源之一。目前電廠常用的除塵設(shè)備有電除塵裝置、布袋除塵裝置、濕法除塵裝置及傳統(tǒng)除塵設(shè)備等，其中靜電除塵裝置具有能耗低、效率高、煙氣處理量大、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最廣泛。靜電除塵器裝置除塵效率高達(dá)99.9%，但由于其荷電機(jī)理，對(duì)亞微米顆粒，特別是0.1～1 μm顆粒存在穿透窗口，脫除效率不高。亞微米顆粒物的團(tuán)聚技術(shù)可以促進(jìn)煙氣中顆粒的碰撞黏附，減少顆粒數(shù)量，增大顆粒平均粒徑，是提高亞微米顆粒脫除效率的有效措施，目前常用的團(tuán)聚技術(shù)有湍流團(tuán)聚、聲團(tuán)聚、化學(xué)團(tuán)聚、磁團(tuán)聚、相變團(tuán)聚等以及各種耦合團(tuán)聚方法[3-7]。湍流團(tuán)聚方法簡(jiǎn)單、高效、易于推廣，易與其他團(tuán)聚方法耦合，湍流團(tuán)聚技術(shù)的研發(fā)具有理論與現(xiàn)實(shí)意義。

大量學(xué)者對(duì)湍流團(tuán)聚技術(shù)進(jìn)行探索，1956年，Saffman和Turner[8]首次基于球碰撞概念提出了精確的超細(xì)顆粒(顆粒Stockes數(shù)Stk=0)的碰撞-團(tuán)聚方程模型，但其模擬只是基于理想的均勻各向同性簡(jiǎn)單的湍流運(yùn)動(dòng)，有很大的局限性；Abrahamson等[9]在分子混沌理論假設(shè)條件下得到了大慣性顆粒(Stk=∞)的湍流團(tuán)聚方程模型；湍流作用對(duì)有限慣性顆粒團(tuán)聚的影響包括湍流輸運(yùn)效應(yīng)和局部富集效應(yīng)2方面；Williams & Crane等[10]從牛頓第二定律出發(fā)，分析顆粒的受力情況，考慮湍流的加速作用和剪切作用，試圖得到在考慮湍流輸運(yùn)效應(yīng)情況下的有限慣性顆粒湍流團(tuán)聚方程模型；Kim等[11]對(duì)多分散納米級(jí)顆粒進(jìn)行了湍流團(tuán)聚研究，湍流的能量越大，顆粒越容易受影響,從而使流場(chǎng)中細(xì)顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象；Sercan等[12]對(duì)三角柱后方流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)三角擾流柱后方出現(xiàn)渦流后會(huì)使湍流場(chǎng)中擾動(dòng)性更強(qiáng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)湍流團(tuán)聚效率的研究也很多，陳亞偉等[13]考慮了煙氣流速對(duì)湍流渦旋及團(tuán)聚效率的影響；章鵬飛等[14]對(duì)裝置元件排列間距和顆粒濃度對(duì)超細(xì)顆粒物湍流團(tuán)聚的影響進(jìn)行數(shù)值模擬；劉忠課題組[15-16]針對(duì)擾流裝置形狀，排列方式、間距等做了大量工作，模擬了不同條件下的湍流流場(chǎng)情況。此外，2002年澳大利亞Indigo公司首次開發(fā)出了包括雙極靜電和湍流團(tuán)聚的商業(yè)顆粒物凝聚器，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)；孫德帥等[17]在可吸入顆粒團(tuán)聚室中引入氣體射流，并以撞擊式采樣器和激光粒子計(jì)數(shù)器測(cè)量可吸入顆粒團(tuán)聚前后質(zhì)量與數(shù)量變化來評(píng)價(jià)顆粒的團(tuán)聚效率。然而由于亞微米顆粒的團(tuán)聚過程復(fù)雜且沒有較好的觀測(cè)手段，湍流團(tuán)聚的試驗(yàn)研究還有所欠缺，特別是數(shù)量濃度方面的研究等。

本文研究不同擾流件大小、排列方式對(duì)湍流團(tuán)聚效率的影響規(guī)律。搭建亞微米顆粒湍流團(tuán)聚試驗(yàn)臺(tái)，利用掃描電遷移率粒徑譜儀(SMPS)測(cè)量湍流段前后進(jìn)出口亞微米不同粒徑數(shù)量濃度，研究擾流柱特性對(duì)亞微米顆粒團(tuán)聚效率的影響，并借助Fluent軟件，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析不同擾流柱排列下流場(chǎng)對(duì)亞微米顆粒湍流團(tuán)聚效率的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

亞微米顆粒湍流團(tuán)聚試驗(yàn)臺(tái)由離心風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、多分散氣溶膠發(fā)生器、湍流團(tuán)聚試驗(yàn)管道、顆粒粒徑測(cè)試系統(tǒng)組成(圖1)?？諝鈮嚎s機(jī)鼓入清潔空氣，使氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生多分散亞微米顆粒。離心風(fēng)機(jī)為團(tuán)聚試驗(yàn)系統(tǒng)提供動(dòng)力，湍流團(tuán)聚管道內(nèi)放置擾流件(圖2)，產(chǎn)生湍流效應(yīng)。在湍流區(qū)，不同粒徑顆粒由慣性產(chǎn)生的速度梯度導(dǎo)致顆粒間發(fā)生碰撞。由于范德華力的作用以及超細(xì)顆粒的物理特性，超細(xì)顆粒在碰撞后容易黏附在較大顆粒上發(fā)生團(tuán)聚，經(jīng)團(tuán)聚后顆粒由出口排到室外。湍流團(tuán)聚區(qū)間前后設(shè)置測(cè)點(diǎn)孔，方便顆粒采樣及粒徑濃度測(cè)量。

圖1 亞微米顆粒湍流團(tuán)聚試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Experimental platform for the submicron particulate turbulent agglomeration

圖2 三棱柱擾流件Fig.2 Triangular prism disturbing structure

顆粒采樣裝置前段設(shè)PM1切割器，后依次接過濾器、流量計(jì)、抽氣泵，采樣膜片為特氟龍濾膜。濃度測(cè)量以掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀(SMPS)為主，由差分電遷移率分析儀(DMA)和凝聚粒子計(jì)數(shù)器(CPC)組成，DMA按顆粒尺寸將顆粒進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)后的亞微米顆粒進(jìn)入CPC，對(duì)15.7～850.5 nm的亞微米顆粒數(shù)量濃度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。亞微米顆粒采樣，測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 亞微米顆粒湍流團(tuán)聚測(cè)量系統(tǒng)Fig.3 Measurement and sampling systems for the submicron particulate turbulent agglomeration

湍流團(tuán)聚通道寬高為150 mm×100 mm，團(tuán)聚區(qū)間長(zhǎng)度為550 mm，測(cè)點(diǎn)1與氣溶膠發(fā)生器入口距離經(jīng)模擬可使亞微米充分?jǐn)U散，測(cè)點(diǎn)2與湍流團(tuán)聚區(qū)間末端距離足夠長(zhǎng)，滿足湍流團(tuán)聚后使顆粒充分碰撞的試驗(yàn)需求。湍流團(tuán)聚區(qū)間內(nèi)設(shè)置可拆卸型擾流柱，提供湍流條件，促使亞微米顆粒發(fā)生湍流團(tuán)聚。為降低流體阻力[18]，加強(qiáng)湍流渦旋和易于加工，采用三棱柱型擾流件，擾流件高100 mm(圖2)，通過調(diào)整擾流柱大小及位置來探究擾流件對(duì)顆粒湍流團(tuán)聚的影響。通道出口伸出窗外，防止亞微米顆粒再次進(jìn)入試驗(yàn)管道，減少環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)由空壓機(jī)及氣溶膠發(fā)生器構(gòu)成亞微米產(chǎn)生系統(tǒng)，以3%的(NH4)2SO4溶液為霧化介質(zhì)，產(chǎn)生亞微米顆粒，通過調(diào)節(jié)氣溶膠發(fā)生器入口壓力及噴口數(shù)量調(diào)節(jié)產(chǎn)生的亞微米顆粒數(shù)量濃度大小。試驗(yàn)與采樣時(shí)，采用導(dǎo)電硅管作為連接管路，減少管內(nèi)黏附與二次碰撞引起的誤差。試驗(yàn)測(cè)量以30 min為一個(gè)測(cè)量周期，每個(gè)周期內(nèi)分別測(cè)3組進(jìn)口和出口顆粒粒徑數(shù)量濃度，每組工況測(cè)3個(gè)測(cè)量周期，通過數(shù)據(jù)處理減少誤差，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。以顆粒物團(tuán)聚效率為參考標(biāo)準(zhǔn)，顆粒團(tuán)聚效率定義為

(1)

式中，Nin、Nout分別為進(jìn)出口亞微米顆粒數(shù)量濃度，個(gè)/cm3。

1.3 顆粒發(fā)生器穩(wěn)定性驗(yàn)證

氣溶膠發(fā)生器作為亞微米顆粒的產(chǎn)生裝置，其穩(wěn)定性對(duì)試驗(yàn)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性都有較大影響，通過預(yù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣溶膠發(fā)生器入口壓力、噴口數(shù)量、通道風(fēng)速等對(duì)顆粒的數(shù)量濃度及穩(wěn)定性均有影響，經(jīng)測(cè)試，暫定入口壓力為206.84 kPa,通道中心風(fēng)速3.0 m/s。對(duì)亞微米產(chǎn)生的顆粒進(jìn)行時(shí)間穩(wěn)定性驗(yàn)證，45 min內(nèi)亞微米顆粒濃度及30 min內(nèi)空氣中顆?？倲?shù)量濃度隨時(shí)間變化如圖4所示，不同粒徑亞微米顆粒數(shù)量濃度占比隨時(shí)間變化如圖5所示。

圖4 總數(shù)量濃度隨時(shí)間變化Fig.4 Particle concentration changes with time

圖5 各粒徑數(shù)量濃度占比隨時(shí)間變化Fig.5 Particle size distribution changes with time

由圖4可知，亞微米顆粒濃度在剛開始3 min與之后時(shí)間段有較大濃度差，一方面可能是由于氣溶膠發(fā)生器與風(fēng)機(jī)剛開始運(yùn)行，穩(wěn)定性不夠；另一方面可能是由于SMPS內(nèi)殘余氣體使測(cè)量出現(xiàn)誤差；測(cè)量過程中以15 min為一個(gè)測(cè)量時(shí)長(zhǎng)，將所測(cè)數(shù)據(jù)分為3組取平均值，去掉誤差較大的3和6 min數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)整體亞微米顆?？倲?shù)量濃度誤差穩(wěn)定在0～3%，符合誤差要求。對(duì)環(huán)境空氣中顆粒數(shù)量濃度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)空氣中顆粒濃度相對(duì)穩(wěn)定，且數(shù)量級(jí)在試驗(yàn)亞微米顆粒濃度的1/10左右，影響較小。

由圖5可知，除3 min數(shù)據(jù)外，其余各組數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化較小，重復(fù)性好。通過亞微米顆粒產(chǎn)生穩(wěn)定性試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)除了第1組數(shù)據(jù)外，亞微米顆粒濃度隨時(shí)間的穩(wěn)定性較好，為確保準(zhǔn)確，每次試驗(yàn)前，先將儀器運(yùn)行30 min再開始測(cè)量。

1.4 誤差性分析

試驗(yàn)過程中，誤差可能主要來自源頭及過程2方面，源頭即由于氣溶膠發(fā)生器不穩(wěn)定導(dǎo)致氣溶膠顆粒產(chǎn)生變化，過程是由于管道內(nèi)壁吸附氣溶膠顆粒導(dǎo)致顆粒減少。1.3節(jié)驗(yàn)證了氣溶膠發(fā)生器的穩(wěn)定性滿足要求。為測(cè)得壁面吸附的結(jié)果，在壁面沾附濾膜，測(cè)量半小時(shí)后，濾膜稱量基本沒有變化，因此視為可忽略壁面吸附的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 亞微米顆粒粒徑對(duì)湍流團(tuán)聚的影響

亞微米顆粒的團(tuán)聚特性與其離散相參數(shù)密切相關(guān)，尤其是亞微米顆粒粒徑，顆粒越小，擴(kuò)散程度越大；隨著顆粒粒徑減小(Stk<1)，顆粒擴(kuò)散程度趨于相同。為研究不同粒徑下顆粒的團(tuán)聚效率，設(shè)定6排擾流柱，繞流件邊長(zhǎng)為10 mm，橫向間距10 mm，縱向間距40 mm，測(cè)定了風(fēng)速3.0 m/s下粒徑分布與分粒徑顆粒的脫除效率。顆粒粒徑分布情況如圖6所示，可知小粒徑顆粒易發(fā)生團(tuán)聚，因此小于74 nm的顆粒在入口處均大于出口處，顆粒直徑大于74 nm時(shí)，由小粒徑顆粒團(tuán)聚而成的大顆粒數(shù)增多，出口顆粒數(shù)量濃度大于進(jìn)口；從整體看，出口峰值較進(jìn)口峰值由44 nm處移到48 nm處，也從一定程度上說明顆粒發(fā)生了團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖6 風(fēng)速3.0 m/s時(shí)顆粒粒徑分布Fig.6 Particle size distribution at a flow rate of 3.0 m/s

分粒徑顆粒的團(tuán)聚效率如圖7所示，可知小粒徑顆粒具有較大的團(tuán)聚效率，隨粒徑增大，團(tuán)聚效率逐漸減小，顆粒粒徑大于74 nm時(shí)，顆粒團(tuán)聚效率變?yōu)樨?fù)數(shù)。

圖7 風(fēng)速3.0 m/s時(shí)顆粒分粒徑團(tuán)聚效率Fig.7 Agglomeration efficiency of different particle size at a flow rate of 3.0 m/s

為確保試驗(yàn)可靠性，本文又測(cè)試了不同風(fēng)速(1.2、1.8、2.4、3.4、4.2、4.8 m/s)下管道內(nèi)的顆粒團(tuán)聚效率，經(jīng)雷諾數(shù)計(jì)算，符合湍流條件。在幾種不同雷諾數(shù)下，發(fā)現(xiàn)同樣具有以上規(guī)律，1.2、3.0及4.2 m/s 風(fēng)速下分粒徑的脫除效率如圖8所示?？芍S著亞微米顆粒粒徑的增大，團(tuán)聚效率整體減小，原因可能在于小顆粒受流場(chǎng)的作用較為強(qiáng)烈，擴(kuò)散程度較大，與大顆粒的碰撞率增加，加大了其團(tuán)聚效率[19]，而隨著顆粒增大，碰撞率降低，其團(tuán)聚效率隨之減小。3種不同風(fēng)速時(shí)，對(duì)<30 nm的顆粒，湍流團(tuán)聚效率在10%～90%，而>100 nm亞微米顆粒團(tuán)聚效率較低，均在10%以內(nèi)，3.0 m/s時(shí)團(tuán)聚效率甚至為負(fù)。此外，顆粒粒徑大于502 nm時(shí)，3種風(fēng)速的顆粒團(tuán)聚效率均變?yōu)樨?fù)數(shù)，一方面是因?yàn)榇罅筋w粒的團(tuán)聚效率較小，另一方面是因?yàn)樾☆w粒團(tuán)聚增加了大粒徑顆粒的數(shù)量。

圖8 分粒徑的團(tuán)聚效率Fig.8 Agglomeration efficiency of particle size

不同流速下，PM0.1與PM1的團(tuán)聚效率如圖9所示，可知團(tuán)聚效率的峰值出現(xiàn)在3.0～4.0 m/s，低風(fēng)速時(shí)，隨著風(fēng)速提高，湍流團(tuán)聚區(qū)的湍流強(qiáng)度加大，小顆粒的擴(kuò)散程度增大，碰撞幾率也隨之加大，所以PM0.1和PM1的團(tuán)聚效率不斷增大；而隨著流速再次提高，顆粒在湍流團(tuán)聚區(qū)的停留時(shí)間減小，顆粒間的碰撞次數(shù)減少，因此整體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，與孫宗康等[20]研究有相似規(guī)律。各流速下，PM1的團(tuán)聚效率均小于PM0.1，與圖8規(guī)律相符。

圖9 不同流速下團(tuán)聚效率Fig.9 Agglomeration efficiency at different flow rates

2.2 擾流件大小及布置位置的影響

本文湍流團(tuán)聚區(qū)間依靠擾流件的布置產(chǎn)生湍流效應(yīng)，為了探究擾流件對(duì)湍流團(tuán)聚產(chǎn)生的影響，在4種工況下，探究擾流柱大小、擾流柱布置橫向間距、縱向間距及縱向排數(shù)的影響，公共工況為風(fēng)速3.4 m/s,擾流柱大小10 mm，橫向節(jié)距10 mm，縱向節(jié)距40 mm，縱向排數(shù)6排，通過調(diào)整擾流柱大小、橫向間距、縱向間距以及縱向排數(shù)來獲得不同工況。

為了解擾流柱大小及布置位置對(duì)團(tuán)聚區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)的分布影響，利用ICEM軟件對(duì)流場(chǎng)區(qū)域物理模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格使用為非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，在擾流柱及壁面邊界處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，總網(wǎng)格數(shù)為117 281個(gè)。利用Fluent軟件對(duì)流場(chǎng)分布進(jìn)行模擬時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，進(jìn)口條件設(shè)置為速度入口，出口條件設(shè)置為壓力出口，采用Tecplot軟件進(jìn)行計(jì)算結(jié)果圖像后處理。

2.2.1擾流柱大小的影響

選邊長(zhǎng)為10、20、30和50 mm四個(gè)擾流柱進(jìn)行試驗(yàn)，其他條件設(shè)置為公共工況。擾流柱大小對(duì)團(tuán)聚效率的影響如圖10所示?？芍S著擾流柱的增大，亞微米顆粒的團(tuán)聚效率逐漸減小，在50 mm擾流柱時(shí)團(tuán)聚效率最小，呈現(xiàn)一種對(duì)數(shù)分布規(guī)律。不同大小擾流柱的流場(chǎng)情況如圖11、12所示?？芍?0 mm擾流柱時(shí)，管道內(nèi)流場(chǎng)渦街較多，且均勻分布于整個(gè)流場(chǎng)，而隨著擾流柱大小的增大，以10 mm擾流柱與50 m擾流柱對(duì)比，發(fā)現(xiàn)50 mm擾流柱僅在擾流柱后前方與后方出現(xiàn)了渦街，而相鄰擾流柱之間部分形成通道，氣體流速較快，沒有產(chǎn)生渦街，大量顆粒由此處直接流出，顆粒間的碰撞與團(tuán)聚減少，因而團(tuán)聚效率下降；而10 mm擾流柱時(shí)，廣泛的渦街分布加強(qiáng)了顆粒之間的碰撞效率，通道內(nèi)流速降低為顆粒團(tuán)聚提供了充分的碰撞時(shí)間。因此隨著擾流柱的增大團(tuán)聚呈現(xiàn)對(duì)數(shù)式的分布規(guī)律。

圖10 擾流柱邊長(zhǎng)對(duì)團(tuán)聚效率的影響Fig.10 Effect of different disturbing structure size on agglomeration efficiency

圖11 不同大小擾流柱流場(chǎng)模擬Fig.11 Flow field simulation of different sizedisturbing structure

圖12 流場(chǎng)局部圖Fig.12 Local flow field

2.2.2 橫向間距的影響

調(diào)節(jié)橫向間距為10、20、30和40 mm，其他試驗(yàn)條件設(shè)為公共工況，橫向間距對(duì)團(tuán)聚效率的影響如圖13所示，可知隨著橫向間距的增加，亞微米顆粒的脫除效率呈現(xiàn)先下降后趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。顆粒的團(tuán)聚效率主要與擾流柱產(chǎn)生的湍流流場(chǎng)相關(guān)，隨著擾流柱橫向間距的增大，迎風(fēng)面同一截面處擾流柱的數(shù)量減小，產(chǎn)生的渦街?jǐn)?shù)量減小。不同擾流柱橫向間距的流場(chǎng)情況如圖14、15所示。可知10 mm間距工況時(shí)，擾流柱產(chǎn)生的渦街尺度較大，擾流柱尾部渦街密度較大且強(qiáng)度較大，能夠產(chǎn)生較理想的湍流效應(yīng)，亞微米顆粒的碰撞率較高，因此團(tuán)聚效率最大；而隨著橫向間距的增大，擾流柱數(shù)量減少，產(chǎn)生的渦街?jǐn)?shù)量減少，湍流強(qiáng)度減弱，亞微米顆粒碰撞率減小，團(tuán)聚效率降低，當(dāng)湍流強(qiáng)度較弱時(shí)，顆粒間只受到布朗擴(kuò)散的作用，湍流脈動(dòng)不再對(duì)顆粒團(tuán)聚起作用，團(tuán)聚效率趨于較低的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖13 橫向間距對(duì)團(tuán)聚效率的影響Fig.13 Effect of lateral spacing on agglomeration efficiency

圖14 不同擾流柱橫向間距的流場(chǎng)模擬Fig.14 Flow field simulation of lateral spacing of different disturbing structure

圖15 流場(chǎng)局部圖Fig.15 Local flow field

2.2.3縱向間距的影響

調(diào)節(jié)縱向間距為20、40、60和80 mm，其余試驗(yàn)條件為公共工況，縱向間距對(duì)團(tuán)聚效率的影響如圖16所示，可知隨著擾流柱縱向間距的增大，團(tuán)聚效率先增大后減小，縱向間距為40 mm時(shí)達(dá)到最大。不同擾流柱縱向間距的流場(chǎng)情況如圖17、18所示。可知擾流柱產(chǎn)生的渦街除了受到相鄰渦街影響外，還受后面擾流柱的影響，當(dāng)間距過短，如20 mm時(shí)，產(chǎn)生的渦街遭到破壞，渦街沒有充分發(fā)展，亞微米顆粒產(chǎn)生相互作用的距離過短，團(tuán)聚效率最差；當(dāng)間距過大時(shí)，渦街可以充分發(fā)展，如縱向間距80 mm時(shí)，渦街充分發(fā)展，分布整個(gè)流場(chǎng)，但此時(shí)流場(chǎng)中渦街的強(qiáng)度較低，亞微米顆粒間的相互作用較弱，顆粒碰撞幾率降低，團(tuán)聚效率降低，章鵬飛等[14]的模擬結(jié)果中也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象。

圖16 縱向間距對(duì)團(tuán)聚效率的影響Fig.16 Effect of longitudinal spacing on agglomeration efficiency

圖17 不同擾流柱縱向間距的流場(chǎng)模擬Fig.17 Flow field simulation of longitudinal spacing of different disturbing structure

圖18 流場(chǎng)局部圖Fig.18 Local flow field

2.2.4縱向排數(shù)的影響

縱向擾流件排數(shù)對(duì)團(tuán)聚效率的影響如圖19所示，可知隨著縱向排數(shù)的增大，亞微米顆粒的團(tuán)聚效率隨之增大，但6～8排增大趨勢(shì)較小，推測(cè)團(tuán)聚效率與縱向排數(shù)的關(guān)系呈現(xiàn)一種對(duì)數(shù)型關(guān)系，存在一個(gè)臨界排數(shù)；而后隨著排數(shù)的增多，亞微米顆粒的團(tuán)聚效率增大效果不佳，一方面是因?yàn)樾×筋w粒隨著排數(shù)的增加，逐漸碰撞由大顆粒吸附，小粒徑顆粒減少，另一方面大粒徑顆粒可能由于較多的擾流柱產(chǎn)生破裂，降低團(tuán)聚效率。

圖19 擾流柱排數(shù)對(duì)團(tuán)聚效率的影響Fig.19 Effect of the number of rows of spoiler columns on the agglomeration efficiency

3 結(jié) 論

1)亞微米顆粒湍流團(tuán)聚效率與顆粒粒徑有關(guān)，粒徑較小的亞微米顆粒團(tuán)聚效果較好，尤其對(duì)30 nm以內(nèi)的亞微米顆粒，團(tuán)聚效率在10%～90%；隨著粒徑增大，亞微米顆粒的團(tuán)聚效率隨之減小；而伴隨著小顆粒的團(tuán)聚，形成的顆粒的數(shù)目增多，會(huì)導(dǎo)致顆粒直徑>502 nm時(shí)，不同流速下顆粒的團(tuán)聚效率變?yōu)樨?fù)數(shù)。

2)通過改變擾流件大小及位置，發(fā)現(xiàn)亞微米顆粒的團(tuán)聚效率隨擾流件的增大而減小，隨擾流件橫向間距的增大而逐漸減小，隨縱向間距的增大先變大后減小，隨排數(shù)的增大而變大。發(fā)生這種規(guī)律的原因主要是與擾流件產(chǎn)生的湍流流場(chǎng)有密切關(guān)系，擾流件的調(diào)整引起了通道內(nèi)流場(chǎng)渦街強(qiáng)度與長(zhǎng)度的變化，進(jìn)而影響了亞微米顆粒的團(tuán)聚效率。

3)亞微米顆粒湍流團(tuán)聚試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，湍流團(tuán)聚對(duì)于小粒徑顆粒(粒徑<30 nm)具有較好的脫除效率，但對(duì)于大粒徑顆粒(粒徑>30 nm)脫除效率在10%以下，團(tuán)聚效果有限。因此對(duì)于較大顆粒粒徑的團(tuán)聚還需要結(jié)合其他團(tuán)聚方法，如化學(xué)團(tuán)聚、電團(tuán)聚等進(jìn)行進(jìn)一步耦合處理。