矩形通道內(nèi)顆粒動態(tài)分析測量技術(shù)的改進(jìn)

矩形通道內(nèi)顆粒動態(tài)分析測量技術(shù)的改進(jìn)

0亞玉米顆粒的測量在世界排放的煙污染中，亞微顆粒已成為主要的氣污染環(huán)境。國際上目前都在致力于消除亞微米顆粒。但由于亞微米顆粒的有別于大顆粒的空氣動力學(xué)特性,使其的消除甚至測量都十分困難。運(yùn)用各種手段來脫除亞微米顆粒是國家973的重大課題。應(yīng)用溫度場產(chǎn)生的熱泳力來脫除亞微米顆粒也是努力的一個(gè)重要方向。目前,對熱泳脫除的研究在國際上是一個(gè)前沿課題,目前還處于基礎(chǔ)理論研究和實(shí)驗(yàn)階段;而可吸入顆粒物在不均勻溫度場中運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)研究目前還開展的不多,特別是近壁面的測量更有困難(離壁面越近測量越困難)。開展近壁面的速度測量,可以更清楚了解亞微米顆粒變化情況,進(jìn)一步把握近壁面粒子運(yùn)動規(guī)律,推進(jìn)兩相流研究學(xué)科發(fā)展及有針對性采取除塵措施。因此,開展亞微米顆粒運(yùn)動熱泳規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究有著重要意義。1系統(tǒng)和測量設(shè)備1.1實(shí)驗(yàn)裝置及通道建立實(shí)驗(yàn)裝置的基本目標(biāo)是對溫度分布不均勻條件下亞微米顆粒在通道內(nèi)流體中的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行研究。本實(shí)驗(yàn)裝置主要分6個(gè)部分:給粉部分、送風(fēng)部分、加熱部分、冷卻部分、測量部分、排放部分,如圖1所示。實(shí)驗(yàn)通道為裝有石英玻璃窗的由“煮黑”工藝完成的矩形通道,帶有3個(gè)石英玻璃窗。實(shí)驗(yàn)段選定為長1.0m,寬40mm,高為20mm的矩形通道。高度方向的側(cè)面采用恒溫水冷。1.2測量關(guān)鍵技術(shù)三維顆粒動態(tài)分析(particledynamicsanalyzer,PDA)系統(tǒng)是本課題實(shí)驗(yàn)的最主要測量設(shè)備。該測量系統(tǒng)是丹麥DANTEC公司制造的58N50型三維激光多普勒測速儀,PDA基本原理是相位多普勒原理,也可稱為三維多普勒測速系統(tǒng)。主要由氬離子激光器、分光器、發(fā)射單元、接收單元、信號處理器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。它實(shí)現(xiàn)了固相顆粒的三維速度、粒徑和濃度的同時(shí)測量,有高的精度和空間分辨率,并且無須標(biāo)定,是一種非接觸式的測量技術(shù)。其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。從表1看到,PDA系統(tǒng)對速度和粒徑測量誤差分別是1%和4%,誤差較小,但測量濃度的誤差可達(dá)到30%。但考慮到能實(shí)時(shí)無接觸測量濃度儀器較少,本實(shí)驗(yàn)還是選用該儀器。影響PDA測量精度的因素很多,有光學(xué)系統(tǒng)、采集系統(tǒng)等硬件方面的誤差,也有自身軟件數(shù)據(jù)處理誤差等。這些誤差會直接影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。特別要指出的是:激光的焦距、光束的對焦、光路途徑、零點(diǎn)位置、測量帶寬等是最重要的影響因素。另外,經(jīng)過計(jì)算分析,本實(shí)驗(yàn)采用的熱電偶測量溫度的測量誤差不超過4.2%;根據(jù)流量計(jì)的精度,推知流量計(jì)在本實(shí)驗(yàn)中的可能最大誤差為2.8%?？傉`差還包括實(shí)驗(yàn)對象和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差、尺寸測量誤差等。2測量技術(shù)的應(yīng)用2.1邊界層運(yùn)動規(guī)律測量方法在實(shí)驗(yàn)研究中很重要。目前對顆粒的測量偏重于進(jìn)出口兩端的測量。而對實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部特別是邊界層的運(yùn)動規(guī)律的研究較少,而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的主要困難是受測試手段的限制。很多粉塵測量儀器都只適用于大空間或管道的測量,而應(yīng)用于小管徑的實(shí)驗(yàn)段則可能會影響其流場分布。但是熱泳力的作用范圍就在該小范圍內(nèi),所以,采用PDA的光學(xué)方法測量手段,因?qū)α鲌龅臒o干擾所以具有優(yōu)勢。2.2光斑的檢測目前通常PDA儀器的測試方法是:入射激光垂直打在相應(yīng)表面,接收激光平行于接收表面。由于其采用光斑的聚焦方式對濃度進(jìn)行測量,光斑的長軸2.46mm,在靠近壁面時(shí)候,會產(chǎn)生很大的噪聲影響,給通常測試帶來很大困難。而離開邊界2.5mm內(nèi)的測試顯然是不可能實(shí)現(xiàn)的。具體方法見圖2。2.3同向短軸近壁測量為了提高觀測精度,透光面采用價(jià)格較貴的光學(xué)石英玻璃,不透光面進(jìn)行了“煮黑”工藝加工,以減少壁面的噪聲干擾,并采取碳鋼導(dǎo)體嵌入石英玻璃板來防止靜電吸附等措施。圖3為本文采取的測量近壁區(qū)的PDA測量法,采用了同向短軸近壁方案:激光靠入射光交匯斑(即橢球)短軸貼壁面入射,接收激光也布置在同一表面。通過對PDA光束走向的設(shè)計(jì),讓光束平面及測點(diǎn)短軸與冷壁面平行布置,可測量近冷壁區(qū)0.15mm附近邊界層中顆粒特性和流動狀況。本實(shí)驗(yàn)方法可測量近壁區(qū)極薄邊界層內(nèi)顆粒的尺寸、濃度和速度分布。2.4窗口正截面測量對實(shí)驗(yàn)段的矩形體,水冷壁面采用一維測量,離開水冷壁面采用二維測量。軸向記為X方向,垂直于水冷壁面方向記為Y方向,矩形橫斷面深度方向以石英玻璃窗面開始,垂直向下,記為Z方向。X方向:選取3個(gè)窗口中間斷面為測量面,距離每個(gè)玻璃窗邊緣兩邊各50mm,玻璃窗長度是100mm;Z方向自石英玻璃窗面向下取6mm;Y方向:PDA測量光斑以離開水冷壁方向運(yùn)動,距離分別0,0.3,0.5,0.8,1.0,1.5,2.0,5.0,10.0,20.0mm。測量氣粒兩相流動時(shí),每個(gè)測點(diǎn)設(shè)定在3min內(nèi)取2000個(gè)樣本。每個(gè)工況連續(xù)對3個(gè)窗口進(jìn)行測量。圖4為某一玻璃窗口的俯視立體面,測量點(diǎn)沿Y方向移動。3計(jì)算邊界層內(nèi)顆粒的張力和熱態(tài)的速度的模型3.1各力的計(jì)算公式顆粒與流體組成的氣粒兩相流是典型的多相流,符合質(zhì)量、動量和能量基本守恒定律?？筛鶕?jù)歐拉法和拉格郎日法列出其守恒方程。本文僅根據(jù)牛頓第二定律,列出單個(gè)顆粒的運(yùn)動方程:式中:左側(cè)為顆粒所受的作用力;右側(cè)分別為為黏性阻力、虛假質(zhì)量力、壓力梯度力、巴西特力、馬格努斯力、沙夫曼升力、熱泳力、電泳力、光泳力,其中的下標(biāo)含義也與各力對應(yīng)。式(2)~(9)給出了這些力的計(jì)算公式。黏性阻力:式中:dp為粒子直徑,m;ρf為流體密度,m/s;CDC為修正粒子的阻力系數(shù);up為粒子速度,m/s;uf為流體速度,m/s;μ為流體黏性系數(shù),kg/(m?s);Kn為努森數(shù)。虛假質(zhì)量力:壓力梯度力:式中:ω為旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s;?為流體渦量,rad/s。沙夫曼升力:式中:v為氣體動力黏度,m2/s;y離開壁面的距離,m。式中:KB為Basset力計(jì)算系數(shù);τ為時(shí)間,s。熱泳力:式中:Cs為熱滑動系數(shù);k為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?K);Ct為溫度階躍系數(shù);Cm為運(yùn)動量滑移系數(shù);T為氣流溫度,K。3.2u3000回復(fù)突變系數(shù)與c可吸入顆粒物在溫度場內(nèi)會在熱泳力作用下,向溫度降低的方向移動,在冷壁面上產(chǎn)生沉積。顆粒朝向冷壁面運(yùn)動的單位時(shí)間通過的距離,稱之為熱泳速度,一般表達(dá)通式為對球形顆粒的熱泳速度,按照熱泳速度的模型,以式(10)換算成熱泳系數(shù)Kth(又稱歸約速度)的表達(dá)方式。當(dāng)Kn<1時(shí),Kth可以通過Brock–Talbot公式計(jì)算:式中:Cm=1.146;Cs=1.147;Ct=2.20;Ct=3.32;庫寧漢滑移修正系數(shù)C=1.0+Kn(C1+C2exp(-C3/Kn)),式中:κp為粒子熱導(dǎo)率,W/(m?K);κg為氣體熱導(dǎo)率,W/(m?K)。4游泳實(shí)驗(yàn)的結(jié)果4.1亞大米顆粒受邊界層內(nèi)的受力當(dāng)進(jìn)口流量為23m3/h,壁面溫度保持在17.5℃,進(jìn)口濃度為4.3g/m3,進(jìn)口溫度從24~200℃變化,取平均粒徑為1.184μm,在本文實(shí)驗(yàn)條件下,依據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的邊界層內(nèi)不同粒徑的速度,利用上文的相關(guān)公式,可求得在邊界層內(nèi)熱泳力、黏性阻力以及沙夫曼升力的變化情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,計(jì)算結(jié)果誤差不超過±5%。圖5為亞微米顆粒在離開壁面1mm處的邊界層內(nèi)的受力圖。當(dāng)進(jìn)口溫度為200℃,壁溫為17.5℃,進(jìn)口空氣流量為7m3/h,進(jìn)口顆粒濃度為6.95g/m3時(shí),對不同粒徑的粒子,進(jìn)行離開壁面0.3mm處的邊界層內(nèi)受力分析,熱泳力對阻力、重力和沙夫曼力等的比較結(jié)果,如表2所示。4.2顆粒速度測試當(dāng)進(jìn)口溫度為200℃,壁溫為22℃,進(jìn)口空氣流量為18m3/h,進(jìn)口顆粒濃度為4.3g/m3時(shí),本文對第2窗口測量的PM2.5、2.5~10μm、10~30μm的顆粒速度進(jìn)行比較,見圖6。4.3顆粒運(yùn)動產(chǎn)出量的分析第3窗口考慮到本文實(shí)驗(yàn)的第3窗口遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)段入口,應(yīng)該具有較穩(wěn)定的流動狀態(tài),并且能夠反映前面流場和溫場對顆粒運(yùn)動造成的效應(yīng),所以,以第3窗口來為例進(jìn)行分析。表3~4表示流量在7.4m3/h、18m3/h時(shí),第3窗口在不同溫度下亞微米顆粒離開壁面方向粒徑變化的情況。5運(yùn)動結(jié)果分析5.1熱泳力的影響從圖5看到,對細(xì)小粒子的作用力,在保持壁溫不變時(shí),隨著進(jìn)口溫度的升高,熱泳力、黏性阻力以及沙夫曼升力的變化呈現(xiàn)不同情況。雖然此時(shí)黏性阻力有所升高,沙夫曼升力有所降低,但幅度都很小,基本保持不變。而熱泳力隨著進(jìn)口溫度的升高會急劇增加。在200℃時(shí),熱泳力甚至是黏性阻力的3.5倍。這些現(xiàn)象反映了溫度較高時(shí),在邊界層內(nèi),熱泳力會占主導(dǎo)作用,熱泳力將會對顆粒的運(yùn)動產(chǎn)生重要的影響。根據(jù)表2,理論上,黏性阻力的大小主要跟氣流與顆粒的速度差、粒子直徑、阻力系數(shù)和流體密度有關(guān)。對本實(shí)驗(yàn)的稀疏流體中細(xì)微顆粒的運(yùn)動,以上幾項(xiàng)都比較小,而且隨溫度改變不大,因此黏性阻力的在圖5中處于平緩改變狀態(tài)是合理的。而沙夫曼升力是由于顆粒處于有速度梯度的流場中所受到的橫向升力,從其計(jì)算公式也可以看到,其數(shù)值大小主要也跟氣流與顆粒的速度差、粒子直徑、阻力系數(shù)和流體密度有關(guān),而這4項(xiàng)在本實(shí)驗(yàn)情況下都較小,加之在離開壁面1mm處流體速度梯度變化不大,因此,沙夫曼升力變化也不大。從公式(10)也可以得知,溫度梯度影響的熱泳力增大明顯。這是由于溫度梯度作用帶來細(xì)小顆粒兩端的壓力差,使其受力增大。從表2中可以看到,在邊界層內(nèi),隨著粒徑的增大,熱泳力對阻力、重力和沙夫曼力相對值逐步減少,可見熱泳力對粒徑較小粒子的作用強(qiáng)于粒徑較大粒子。從表2中還可以看出,在同樣粒徑下,作用的量值自大到小是阻力、重力和沙夫曼力。但對橫向力,在邊界層內(nèi),雖然邊界層區(qū)是速度發(fā)生明顯變化的區(qū)域,也是沙夫曼力最大的區(qū)域,但其與熱泳力相比還是小的,由此,說明了在邊界層內(nèi)熱泳力對細(xì)小顆粒有著很強(qiáng)的作用力。從其計(jì)算公式也容易理解,當(dāng)粒子直徑有所增大后,正比于粒徑的阻力、重力和沙夫曼力都會有所增大。就主流而言,由于已經(jīng)遠(yuǎn)離了邊界層,考慮到熱泳力是短程力,由主流溫度與壁面溫度造成的指向壁面的熱泳力已作用不大,由于沒有了橫向速度梯度,沙夫曼升力也不存在。5.2亞大米顆粒的運(yùn)動機(jī)理從圖6看到,在離壁面較近時(shí),PM2.5、2.5~10μm和10~30μm3類粒子群的速度是接近的,都比較小;但當(dāng)離開壁面較遠(yuǎn)時(shí),PM2.5、2.5~10μm2類粒子將比10~30μm粒子有更快的速度,即表示粒徑的變大將使粒子在主流里的運(yùn)動速度變慢,小粒子會有更好的氣流跟隨性。從粒徑判斷,當(dāng)顆粒較小時(shí),其可處于溫度跳躍和速度滑移的區(qū)域,顆粒表面與其相接觸的周圍流體的溫度就不是連續(xù)的,就會有溫度的跳躍和速度的滑移。顆粒之間及其與流體分子的碰撞也不能忽略。考慮到沿主流方向由于換熱,溫度是不斷降低的過程,又由于溫度的跳躍,使顆粒在來流方向的周圍溫度高于顆粒表面溫度,在此范圍內(nèi),就可能有與來流方向一致的一個(gè)熱泳力,加速顆粒的運(yùn)動,這個(gè)效應(yīng)會使通常計(jì)算的黏性阻力變小。一般,此時(shí)主流中起作用的是黏性阻力,顆粒速度會不斷變化,于是在流體中可能會作變速運(yùn)動,就會有巴西特力的作用等。在主流區(qū)顆粒和氣流速度的滑移過程中,巴西特力的加速作用又使已經(jīng)與氣流有近似速度的顆粒的運(yùn)動不容易減速,由此會使顆?；瑒铀俣茸兇?這就是亞微米顆粒在溫場里運(yùn)動的特點(diǎn)。從這一過程看,由于亞微米顆粒能夠在主流里與氣流一起高速運(yùn)動,對沉積也帶來不利的影響,這一點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)中也得到充分的證實(shí)。5.3亞米粉顆粒與大顆粒熱泳力的動態(tài)變化從表3和表4看出,無論是較高流速還是較低流速時(shí),在相同溫度、流量、位置的條件下,在壁面零點(diǎn)處的平均粒徑較小,表示亞微米小顆粒更多地被“拋到”壁面。這是由于當(dāng)粒子粒徑較小時(shí),靠近壁面的亞微米小顆粒更多地受到指向壁面的熱泳力和湍流漩渦的作用,于是沉積在壁面的可能性增大。對比表4與表3壁面零點(diǎn)處,在同溫度、位置的條件下,在較高流速的表4中平均粒徑大于較低流速的表3,說明較大微米級顆粒更多地受較強(qiáng)湍流作用“拋到”壁面的緣故。從表3看出:較低流速時(shí),熱泳力的短程作用使亞微米顆粒中的更小顆粒集中于壁面。高的溫度差與更小的平均粒徑相對應(yīng),高溫度比的熱泳作用,更強(qiáng)化了這一過程。由此得出,小亞微米顆粒對熱泳作用比大顆粒更敏感。同時(shí),從表3還是表4都看出,在一定的流量和溫度范圍內(nèi),亞微米顆粒的平均直徑變化不是很大,基本上都在1.2μm左右波動,這可能有布朗擴(kuò)散運(yùn)動的主導(dǎo),促使更小的粒子有團(tuán)聚現(xiàn)象和濃度分布有均勻化趨勢。6亞米粉顆粒的熱泳力作用通過實(shí)驗(yàn)對在溫度場中運(yùn)動顆粒的粒徑變化以及顆粒的受力情況進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論:1)改進(jìn)的PDA測量方法可較好地測量近壁區(qū)亞微米顆粒的運(yùn)動情況。2)在邊界層內(nèi),熱