燃煤可吸入颗粒物声波团聚 ——微观动力学特性可视化和宏观效果实验研究及模拟

论文摘要

燃煤产生的可吸入颗粒物是城市大气污染的重要来源,这些颗粒物粒径小、数目多、富集多种有害物质,对环境和人体健康造成了严重的危害。但目前常规的除尘设备,如静电除尘器和旋风分离器对其清除效率都很低。声波团聚对于细颗粒的清除是一种有效和可行的方法,通过外加声波的作用细颗粒会发生碰撞团聚长大,在很短的时间内,颗粒的分布将发生从小尺寸向大尺寸方向的演变,团聚后产生的细颗粒团聚物的平均粒径会增大,细颗粒的数目浓度会减少,这样就可以很容易地通过常规的除尘设备将其从尾部烟气中清除,从而达到控制细颗粒排放的目的。本文通过对平面驻波声场的理论分析,自行设计并建立了外加驻波型声场条件下的燃煤可吸入颗粒物微观动力学特性研究和声波团聚宏观效果特性研究两套实验平台,通过实验和模型计算在微观和宏观两个方面研究了细颗粒动力学特性以及整体清除的效果。在微观实验平台上,通过对细颗粒的受力理论分析研究了细颗粒在驻波声场中的运动特性及规律;针对可吸入颗粒物粒径很小的特点,采用高速显微摄像技术成功地拍摄到了声波场中细颗粒夹带和迁移的运动过程,在微观尺度上实验验证了颗粒夹带迁移理论的正确性,在声场夹带的基础上提出了声波场中细颗粒夹带和迁移运动共存理论,采用量级分析和实验对照方法,证实了引起细颗粒在声场中运动的主要受力为粘性力。建立了驻波场中颗粒受力运动模型,数值计算的结果表明:粘性力作用使细颗粒产生夹带和迁移,细颗粒在驻波声场中会同时产生沉降、夹带和迁移运动,并且在速度的波腹处细颗粒夹带振幅最大,在波节处为零,在速度波节和波腹处细颗粒的迁移速度为零,在两者中间位置处迁移速度最大,细颗粒迁移的方向总是指向最近的驻波速度波节点位置。在微观实验的基础上,利用颗粒夹带和沉降运动独立性的特点,提出了一种新型的细颗粒粒径测量方法,求得微米级飞灰颗粒的动力学直径。宏观实验平台主要以工业控制和清除细颗粒应用为目标,建立声波团聚的气溶胶通用动力学方程,研究了燃煤可吸入颗粒物在高强度声波场作用下,声波强度、停留时间、细颗粒初始浓度以及声波频率对于声波团聚前后颗粒粒径分布变化的影响和基本规律,并进行了数值计算,将数值解和实验结果进行了比较,两者吻合较好。实验和数值结果表明:对于可吸入颗粒物,提高声波强度、延长声场停留时间、增加初始颗粒浓度均有利于颗粒的团聚,发现频率增加有利于小颗粒的团聚,但是对整体清除效果则存在一个最佳频率。在研究总体清除效果的同时,还首次研究了不同分级粒径的清除效果,并通过数值算法对声波团聚参数影响进行了更深入的模拟预测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究背景及意义
• 1.2 可吸入颗粒物的声波团聚清除方法
• 1.3 声波团聚的研究历史和现状
• 1.4 本文的研究内容和方法
• 第二章 声波团聚实验仪器和方法
• 2.1 引言
• 2.2 声源系统和声源频率特性测量
• 2.3 颗粒动力学特性观测室
• 2.4 显微观测和高速CCD 摄像系统
• 2.5 激光光源
• 2.6 流化床细颗粒发生器
• 2.7 电称低压冲击器（ELPI）
• 2.8 实验飞灰特性
• 2.9 本章小结
• 第三章 颗粒运动微观可视化实验及粒径测量研究
• 3.1 引言
• 3.2 颗粒运动可视化实验研究
• 3.3 颗粒在声波场中的夹带
• 3.4 细颗粒粒径确定
• 3.5 本章小结
• 第四章 驻波场中细颗粒动力学特性研究
• 4.0 引言
• 4.1 驻波场中细颗粒的受力特点
• 4.2 驻波声场中细颗粒动力学特性数值研究
• 4.3 细颗粒夹带迁移规律的实验验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 声波团聚数学模型
• 5.1 引言
• 5.2 声波团聚模型
• 5.3 气溶胶团聚动力学方程
• 5.4 气溶胶团聚动力学方程数值求解
• 5.5 本章小结
• 第六章 声波团聚宏观清除效果实验及预测
• 6.1 引言
• 6.2 声波团聚效果实验
• 6.3 颗粒团聚效率定义
• 6.4 颗粒浓度和团聚效果的关系
• 6.5 声波强度和团聚效果的关系
• 6.6 声波作用时间和团聚效果的关系
• 6.7 声波频率和团聚效果的关系
• 6.8 利用模型进行团聚效果预测
• 6.9 本章小结
• 第七章 结论和建议
• 7.1 结论
• 7.2 今后工作的建议
• 参考文献
• 主要符号对照表
• 在读期间发表的论文情况
• 致谢