煤粉荷电机理与试验研究及其计算机仿真

论文摘要

煤粉的电晕荷电强化燃烧技术是基于煤粉燃烧高效与低污染排放的综合考虑,提出的一种研究新方法,而煤粉的荷电是后期燃烧技术研究的基础与关键。查阅国内外大量文献后发现,对于煤粉颗粒荷电方面的研究甚少,因此,对煤粉颗粒荷电机理与特性规律的深入、系统研究是十分必要的。本文的研究内容主要由三部分组成,即煤粉荷电机理分析、荷电规律的试验研究以及静电场中一种煤粉荷电颗粒运动轨迹仿真。在煤粉荷电机理研究方面,通过对比粉体颗粒的各种荷电方式,最终优先选择电晕荷电来实现煤粉颗粒荷电。在此基础上,通过对传统固体颗粒电晕荷电理论的分析,结合煤粉自身特性,得出单个煤粉颗粒荷电机理遵循电场荷电理论。通过对理论模型下颗粒荷电量公式的推导,确定出煤粉颗粒荷电主要影响因素及其影响趋势。在煤粉荷电规律的试验研究方面,自行设计了线筒型的煤粉荷电及其试验系统,以荷质比作为评定指标,完成了不同荷电电压、颗粒粒径、射流流速、给粉浓度以及煤种下的单因素试验研究,并得到各影响因素与荷质比的关系。在此基础上,通过剔除次要因素,同时忽略因素间的交互作用,最终对给粉浓度、荷电电压、颗粒粒径三个主要因素进行三因素三水平的正交试验。通过对试验数据的方差分析,得到本试验范围内的最优荷电条件,并利用多元非线性回归理论,对正交试验结果进行多元回归分析,建立了荷质比与颗粒粒径、荷电电压以及给粉浓度之间的煤粉荷电回归方程。通过对方程及其系数的有效性检验,证明了回归方程具有较高的有效性和可靠性,可以用来作为试验研究的预测方程。在煤粉荷电颗粒运动轨迹仿真方面,首先,从单个荷电颗粒的受力分析入手,建立了线筒型荷电器内适合FLUENT软件求解的单个煤粉颗粒运动轨迹的数学模型。模型涉及的方程包括:颗粒荷电方程、电场与电荷守恒方程、气体质量与动量守恒方程、颗粒质量与动量方程等。依此模型,利用FLUENT软件对荷电器中荷电颗粒的运动轨迹进行模拟,通过用户自定义函数UDF（User-Defined Function）编程引入电场力,最终得到不同颗粒粒径、荷电电压、射流流速下的运动轨迹仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源与背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景
• 1.2 国内外粉体荷电发展与研究现状
• 1.2.1 国外粉体荷电发展与研究现状
• 1.2.2 国内粉体荷电发展与研究现状
• 1.3 本文的研究目的和意义
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 煤粉颗粒荷电机理分析
• 2.1 粉体颗粒的荷电
• 2.1.1 自然荷电
• 2.1.2 人工荷电
• 2.2 电晕荷电的基本理论
• 2.2.1 电晕的产生
• 2.2.2 直流静电场中的正电晕和负电晕
• 2.3 煤粉电晕荷电机理分析
• 2.3.1 煤粉荷电的机理
• 2.3.2 数学模型描述
• 2.3.3 煤粉荷电的可行性
• 2.4 本章小结
• 第3章 煤粉荷电试验装置设计与试验研究
• 3.1 煤粉荷电试验装置设计与方法
• 3.1.1 煤粉的荷电装置系统
• 3.1.2 试验方法
• 3.2 单因素试验研究与结果分析
• 3.2.1 颗粒粒径与荷质比的单因素试验研究
• 3.2.2 荷电电压与荷质比的单因素试验研究
• 3.2.3 给粉浓度与荷质比的单因素试验研究
• 3.2.4 射流流速与荷质比的单因素试验研究
• 3.2.5 煤种与荷质比的单因素试验研究
• 3.3 煤粉荷电正交试验设计与回归分析
• 3.3.1 正交试验设计
• 3.3.2 正交试验结果方差分析
• 3.3.3 煤粉荷质比试验回归分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 静电场中煤粉荷电颗粒运动轨迹数学模型
• 4.1 静电场中煤粉荷电颗粒运动轨迹描述
• 4.2 静电场中煤粉荷电颗粒受力分析
• 4.2.1 曳力
• 4.2.2 静电力
• 4.2.3 惯性力
• 4.2.4 压差力
• 4.2.5 重力
• 4.2.6 虚拟质量力
• 4.2.7 Basset 力
• 4.2.8 Magnus 力
• 4.2.9 Saffman 力
• 4.2.10 升力
• 4.3 颗粒质量与动量守恒方程
• 4.4 线筒型荷电器电场力计算
• 4.4.1 颗粒荷电方程
• 4.4.2 电场与电荷守恒方程
• 4.5 气体质量与动量守恒方程
• 4.6 各方程汇总与计算流程
• 4.7 本章小结
• 第5章 静电场中煤粉荷电颗粒运动轨迹数值模拟与结果分析
• 5.1 FLUENT 软件在荷电颗粒运动轨迹数值模拟中的应用
• 5.1.1 FLUENT 软件介绍
• 5.1.2 FLUENT 软件在荷电颗粒运动轨迹模拟中的应用
• 5.2 煤粉荷电颗粒运动轨迹FLUENT 软件的数值模拟
• 5.2.1 计算对象
• 5.2.2 模型简化假设条件
• 5.2.3 计算方法
• 5.2.4 参数的设定
• 5.2.5 边界条件的设定
• 5.2.6 UDF 功能应用
• 5.2.7 FLUENT 计算过程及设置步骤
• 5.3 模拟结果讨论与分析
• 5.3.1 荷电前后颗粒运动轨迹的对比
• 5.3.2 颗粒粒径对颗粒运动轨迹的影响
• 5.3.3 荷电电压对颗粒运动轨迹的影响
• 5.3.4 射流流速对颗粒运动轨迹的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢