顆粒群平衡模擬的隨機(jī)模型與燃煤可吸入顆粒物高效脫除的研究.pdf

1、可吸入顆粒物(空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于10μm的顆粒物，簡(jiǎn)稱(chēng)為PM或PM10)已經(jīng)成為大氣環(huán)境污染的突出問(wèn)題。由于PM的微觀性和其生成、生長(zhǎng)和演變所經(jīng)歷的復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程，無(wú)論是對(duì)其的采樣和物理化學(xué)特征分析、在燃燒過(guò)程中的形成機(jī)理和微尺度動(dòng)力學(xué)演變規(guī)律，還是在自然條件和外加條件下的非線性和非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、各種高效捕集策略的設(shè)計(jì)和優(yōu)化等方面，人們都缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，特別是缺乏相關(guān)的理論描述和定量描述。本文在此背景下，為燃煤PM復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)演變過(guò)程

2、(包括碰撞、凝并、破碎、冷凝/蒸發(fā)、成核和沉積等動(dòng)力學(xué)事件)構(gòu)建顆粒群平衡模擬隨機(jī)模型的完整數(shù)值模擬體系結(jié)構(gòu)，并以此為平臺(tái)對(duì)靜電除塵器和濕式除塵器的除塵過(guò)程、自然環(huán)境中PM的干沉降和濕沉降過(guò)程進(jìn)行顆粒群平衡模擬，對(duì)這些除塵機(jī)理進(jìn)行深入分析，最終以此為基礎(chǔ)對(duì)兩種高效PM除塵技術(shù)(靜電增強(qiáng)濕式除塵器和靜電布袋混合除塵器)進(jìn)行可行性分析和運(yùn)行優(yōu)化，為其工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。本文的研究成果包括：
　　 ⑴零維顆粒群平衡模擬的

3、隨機(jī)算法。引入“加權(quán)虛擬顆粒”概念而發(fā)展了一種全新的零維顆粒群平衡模擬隨機(jī)算法——多重Monte Carlo(Multi-Monte Carlo，MMC)算法.該算法具有時(shí)間驅(qū)動(dòng)Monte Carlo(MC)、常數(shù)目法和常體積法的特點(diǎn)，由于跟蹤數(shù)目較少的虛擬顆粒群而具備適用于工程計(jì)算的計(jì)算代價(jià)，由于保持恒定的虛擬顆粒總數(shù)目而具有穩(wěn)定的計(jì)算精度，由于保持恒定的計(jì)算區(qū)域體積和基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)技術(shù)而具有與兩相湍流模型無(wú)縫耦合的擴(kuò)展性.特殊工況下M

4、MC算法結(jié)果與相應(yīng)的理論分析解之間的良好吻合，證明該算法能夠以較高計(jì)算精度和計(jì)算效率描述初始單分散性或多分散性顆粒群工況、單動(dòng)力學(xué)事件或復(fù)合動(dòng)力學(xué)事件工況等。建立了MC算法對(duì)顆粒尺度分布時(shí)間演變過(guò)程描述精度的定量評(píng)判方法.以此為基礎(chǔ)，定量比較了時(shí)間驅(qū)動(dòng)直接模擬MC、階梯式常體積法、常數(shù)目法和MMC算法對(duì)于各種動(dòng)力學(xué)事件的描述精度，并定性分析了各種MC數(shù)值誤差的來(lái)源和計(jì)算代價(jià)的主要貢獻(xiàn)源.針對(duì)MMC算法所表現(xiàn)的“常數(shù)目誤差”，通過(guò)建立“異

5、數(shù)目權(quán)值虛擬顆粒群策略”以及相應(yīng)的“異數(shù)目權(quán)值虛擬顆粒凝并準(zhǔn)則”、在時(shí)間驅(qū)動(dòng)MC中引入接受-拒絕法來(lái)數(shù)值實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)Markov過(guò)程、發(fā)展“常數(shù)目方案”和“階梯式常數(shù)目方案”來(lái)恢復(fù)虛擬顆粒數(shù)目等手段，對(duì)MMC算法進(jìn)行改進(jìn).多種MC算法之間的定量比較表明，改進(jìn)的MMC算法已經(jīng)成為時(shí)間驅(qū)動(dòng)MC中計(jì)算精度和計(jì)算效率最高的算法之一?；谑录?qū)動(dòng)MC對(duì)解藕誤差的免疫及高計(jì)算精度和效率的認(rèn)識(shí)，本文發(fā)展了另外一種全新的零維顆粒群平衡模擬隨機(jī)算法——事件驅(qū)

6、動(dòng)常體積(EDCV)法.該算法仍然引入“加權(quán)虛擬顆?！钡母拍詈捅３殖ｓw積特征，并把“等數(shù)目權(quán)值虛擬顆粒群策略”和“異數(shù)目權(quán)值虛擬顆粒群策略”、累積概率法和接受-拒絕法、“常數(shù)目方案”和“階梯式常數(shù)目方案”以及“重整方案”等技術(shù)統(tǒng)一在一個(gè)框架下.通過(guò)對(duì)多種主流MC的定量比較，證明EDCV法成為目前零維顆粒群平衡模擬中計(jì)算精度和計(jì)算效率最高的隨機(jī)算法之一。
　　 ⑵多維顆粒群平衡模擬的隨機(jī)算法。通過(guò)把描述顆粒動(dòng)力學(xué)演變的改進(jìn)MMC算

7、法與描述兩相湍流場(chǎng)的歐拉-拉氏模型的無(wú)縫耦合，首次發(fā)展了一種多維顆粒群平衡模擬的隨機(jī)算法----多維MMC算法.該算法引入網(wǎng)格劃分技術(shù)和設(shè)置合適的時(shí)間步長(zhǎng)，采用隨機(jī)過(guò)程來(lái)判斷碰撞/凝并等動(dòng)力學(xué)事件的發(fā)生、尋找碰撞/凝并伙伴、建立碰撞動(dòng)力學(xué)等.對(duì)細(xì)微顆粒流和粗重顆粒流中顆粒碰撞和凝并過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與直接數(shù)值模擬(DNS)結(jié)果實(shí)現(xiàn)定量上的較好吻合，證明所構(gòu)建的多維多重Monte Carlo算法為四向耦合的兩相湍流模型和多維顆粒

8、群平衡模擬提供一個(gè)高精度和高效率的數(shù)值描述方案.采用所發(fā)展的MC算法考察了軸對(duì)稱(chēng)突擴(kuò)通道有旋氣固兩相流中顆粒碰撞對(duì)于兩相流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒之間的相互碰撞使得顆粒速度和雷諾應(yīng)力重新分配并趨于各向同性，而顆粒湍動(dòng)能及顆粒-流體脈動(dòng)速度關(guān)聯(lián)降低。
　　 ⑶傳統(tǒng)除塵裝置和自然環(huán)境對(duì)PM的除塵機(jī)理研究。為了理解外加條件對(duì)PM動(dòng)力學(xué)特性的作用機(jī)理，采用事件驅(qū)動(dòng)常體積法對(duì)典型的靜電和濕式除塵器進(jìn)行了顆粒群平衡模擬.發(fā)現(xiàn)靜電力與慣性力的相互競(jìng)

9、爭(zhēng)導(dǎo)致0.1～1μm的細(xì)微顆粒難以被靜電除塵器捕集，而布朗擴(kuò)散和慣性碰撞機(jī)制對(duì)0.1～1μm區(qū)間顆粒物影響最小也導(dǎo)致其難以被濕式除塵器的液滴所捕集.對(duì)300MW燃煤鍋爐配備的靜電除塵器進(jìn)口和出口煙塵顆粒進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣，并進(jìn)行實(shí)際靜電除塵器的顆粒群平衡模擬，模擬結(jié)果和是試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到定量的吻合。為了描述從除塵器逃逸出來(lái)的PM在自然環(huán)境中的沉降過(guò)程，并借鑒大自然的自身凈化機(jī)制，采用多重Monte Carlo算法對(duì)自然環(huán)境中PM的干沉降和濕沉降過(guò)

10、程進(jìn)行數(shù)值模擬.發(fā)現(xiàn)大自然對(duì)0.3μm附近的中等尺度顆粒物難以自身凈化，降雨量的增加有利于各種尺度顆粒物的濕去除，而雨滴幾何平均尺度越小、雨滴幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，越有利于小尺度和中等尺度顆粒物的濕去除，但稍稍不利于大尺度顆粒物的濕去除。
　　 ⑷高效PM除塵技術(shù)的可行性分析和運(yùn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)自然條件和外加條件下PM動(dòng)力學(xué)演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)，采用復(fù)合外加條件提高PM的除塵效率.對(duì)兩種高效PM除塵技術(shù)(靜電增強(qiáng)濕式除塵器和靜電布袋混合除塵