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【6h】

亚微米颗粒在单纤维表面沉积的数值研究

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目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 课题的国内外研究进展

1.2.1 颗粒碰撞接触理论研究

1.2.2 圆柱形纤维捕集颗粒模拟研究

1.2.3 椭圆柱形纤维捕集颗粒模拟研究

1.3 本文的主要内容和技术路线

2 纤维过滤器捕集模型的建立

2.1 纤维过滤器的过滤原理

2.1.1 颗粒的主要捕集机制

2.1.2 纤维捕集效率

2.2 数值方法

2.2.1 流体流动

2.2.2 颗粒运动方程

2.2.3 颗粒碰撞模型

2.3 数值计算流程

2.4 本章小结

3 亚微米颗粒在圆柱形单纤维上沉积过程的数值研究

3.1 圆柱形纤维物理模型及计算设置

3.1.1 物理模型及边界条件设置

3.1.2 模拟工况设置

3.1.3 网格无关性验证

3.2 颗粒链的形成过程及机理分析

3.3 颗粒粒径对颗粒沉积过程的影响

3.3.1 颗粒链的沉积样貌及颗粒在纤维表面的分布

3.3.2 颗粒粒径对圆柱形纤维捕集效率的影响

3.4 来流风速对颗粒沉积过程的影响

3.4.1 颗粒链的沉积样貌及颗粒在纤维表面的分布

3.4.2 不同来流风速对圆柱形纤维捕集性能的影响

3.5 纤维填充密度对颗粒沉积过程的影响

3.5.1 颗粒链的沉积样貌及颗粒在纤维表面的分布

3.5.2 不同纤维填充密度对圆柱形纤维捕集性能的影响

3.6 本章小结

4 亚微米颗粒在椭圆柱形单纤维上沉积过程的数值研究

4.1 椭圆柱形纤维物理模型及计算设置

4.1.1 物理模型及边界条件设置

4.1.2 模拟工况设置

4.1.3 网格无关性验证

4.2 圆柱形纤维与椭圆柱形纤维捕集性能比较

4.3 结果分析与讨论

4.3.1 颗粒特性及纤维参数对沉积样貌的影响

4.3.2 颗粒特性及纤维参数对纤维过滤性能的影响

4.4 本章小结

结论

展望

参 考 文 献

附录A 主要符号表

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书

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摘要

为减少燃煤产生的微细颗粒污染物排放,电袋一体式除尘器被广泛应用在火力发电领域。由于除尘器中纤维过滤器的过滤过程包含着复杂的流体、颗粒与纤维三者之间的相互作用关系,为了更加接近真实的物理过程,本课题分别对颗粒在圆柱形单纤维以及椭圆柱形单纤维上的非稳态动态沉积过程进行了数值模拟计算,详细研究并分析了颗粒特性以及纤维参数对颗粒在纤维表面沉积形态和纤维捕集颗粒性能的影响。 首先,介绍了颗粒在沉积过程中的三种主要捕集机制,以及本课题研究亚微米颗粒在单纤维上沉积过程时采用的数值方法。考虑了颗粒与颗粒之间的相互作用以及布朗扩散力对颗粒的影响,自行建立了用于判断颗粒与纤维表面或已沉积颗粒表面是否发生碰撞,以及碰撞后是否发生粘附或反弹的数值模型。 其次,本课题采用数值模拟方法研究了圆柱形单纤维对于亚微米颗粒的捕集性能。详细研究了颗粒粒径、来流风速以及纤维填充密度等因素对颗粒在圆柱形单纤维上沉积形态和纤维捕集性能的影响。结果表明:非稳态条件下颗粒在圆柱形单纤维上的动态沉积过程主要分为初始的纤维捕集阶段和后续的颗粒树状结构以及颗粒链生成阶段。颗粒粒径从0.5μm增加到1.0μm时,颗粒沉积形态由均匀分布逐渐转变为树状结构;当d p≥0.7μm时,纤维表面有明显的颗粒链的生成;纤维捕集效率随颗粒粒径的增加而增加。来流风速从0.1m/s增加到0.8m/s时,颗粒沉积形态发生了显著的变化;纤维捕集效率逐渐降低,在vin=0.8m/s时达到最低。纤维填充密度从2.8%增加到8.2%时,纤维捕集效率和无量纲化压降随着SVF的增加而逐渐增加,在d f=25μm时达到最高。 最后,将最佳工况下的圆柱形单纤维和四种不同偏转角度下的椭圆柱形单纤维的捕集效率进行对比后发现,椭圆柱形单纤维偏转角度为Δθ=90°时的捕集效率最高。在此基础上,对亚微米颗粒在椭圆柱形单纤维上的沉积过程进行了数值研究。结果表明:椭圆柱形单纤维偏转角度Δθ的不同对粒径为0.5μm的颗粒在纤维上的沉积过程造成的影响并不大;而对粒径为0.8μm的颗粒在纤维上的沉积过程产生的影响较大,具体表现为纤维在偏转角度不同时捕集效率的差异较为明显。当颗粒粒径、来流风速以及纤维填充密度发生变化时,椭圆柱形单纤维捕集效率和无量纲化压降的变化规律与圆柱形单纤维类似,但椭圆柱形单纤维的偏转角度为90°时其捕集性能优于圆柱形单纤维。

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