孔祥領(lǐng)，朱宏武，MOHAMED Alshehhi，AFSHIN Goharzadeh，丁 礦

（1.中國石油大學(xué)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249;2.阿聯(lián)酋石油學(xué)院機(jī)電學(xué)院，阿布扎比P.O.Box 2533）

靜電分離器中電流體流場可視化研究

孔祥領(lǐng)1，2，朱宏武1，MOHAMED Alshehhi2，AFSHIN Goharzadeh2，丁 礦1

（1.中國石油大學(xué)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249;2.阿聯(lián)酋石油學(xué)院機(jī)電學(xué)院，阿布扎比P.O.Box 2533）

采用粒子成像測速技術(shù)（PIV）對線－板式靜電分離器中微米級(jí)別油滴（2 μm）的流動(dòng)特征進(jìn)行可視化研究，得到在充分發(fā)展的層流條件下（進(jìn)口氣流流速0.16 m/s）電流體隨施加電壓變化的典型流型及速度分布。結(jié)果表明:電流體流型和速度的分布隨著施加電壓的改變而變化;在外加電壓低于起暈電壓（小于8 kV）時(shí)，流場沒有明顯變化;隨著電壓的升高（8～12 kV），放電電極附近及分離器的下游油滴在靜電力的作用下以噴嘴的形式向兩個(gè)收集電極移動(dòng)，徑向運(yùn)移速度和放電電極上游軸向速度隨電壓升高而升高;當(dāng)施加電壓大于12 kV時(shí)，在放電電極上游電流體二次流以兩個(gè)對稱的反向旋轉(zhuǎn)渦的形式出現(xiàn)，渦的大小隨著電壓的升高而增大，徑向運(yùn)移速度最高可達(dá)0.4 m/s，同時(shí)在靜電分離器下游出現(xiàn)回流，二次流和回流的出現(xiàn)阻礙了流體沿軸向運(yùn)移;分離效率隨著施加電壓的增大而增加。

靜電分離器;粒子成像測速;電流體;流型;速度分布;二次流;回流

從氣流中分離細(xì)微的液滴是工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)過程中經(jīng)常遇到的一個(gè)問題［1］。由于液滴粒徑很小，傳統(tǒng)的氣液分離裝置（如旋風(fēng)分離器）對這些微小液滴分離效率不高，有的甚至無法實(shí)現(xiàn)分離。利用靜電除塵技術(shù)來分離這些細(xì)小的液滴被視為一種理想的方法。其原理是通過施加高壓電，放電電極發(fā)生電暈放電，使氣體發(fā)生電離，放出自由電子和離子，這些釋放出來的電子或離子使塵粒荷電，荷電顆粒在電場力的作用下向集塵極運(yùn)動(dòng)并被收集，實(shí)現(xiàn)氣體和顆粒的分離［2］。靜電除塵的效率取決于施加的電場、初始?xì)饬魈匦砸约邦w粒性質(zhì)等諸多因素，同時(shí)由靜電場引起的離子風(fēng)使氣體產(chǎn)生二次流，二次流的出現(xiàn)加劇了分離器中的湍流強(qiáng)度。這些因素相互作用進(jìn)而影響顆粒在靜電場中的運(yùn)動(dòng)特性［3］。為了更好地研究靜電除塵器中電流體的特性，激光多普勒測速（LDV）［4－5］、粒子成像測速［6－11］等流場可視化技術(shù)被引入該領(lǐng)域。然而，對靜電除塵器中電流體的可視化研究主要集中于固體顆粒（如粉塵、煙灰等），對由液滴和空氣構(gòu)成的電流體流場特性的研究很少。筆者采用粒子成像測速（PIV）技術(shù)對靜電分離器中由油滴構(gòu)成的電流體在充分發(fā)展的層流條件下的流場特性進(jìn)行研究，得到在不同施加電壓下電流體的典型流型圖和油滴在靜電場中的速度分布以及分離器的分離效率。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

采用的靜電分離器的結(jié)構(gòu)形式為線－板式，如圖1所示，整個(gè)分離部分被置于一個(gè)長1500 mm、寬

圖1 靜電分離器模型Fig.1 Electrostatic separator model

50 mm、高50 mm透明的有機(jī)玻璃管內(nèi)。接地的兩收集板采用200 mm×50 mm×2 mm鋁板，布置在有機(jī)玻璃的上下兩個(gè)面上;放電電極采用直徑0.2 mm、長50 mm銅絲，通過玻璃管中心線與上下面平行，且垂直于流動(dòng)方向布置。為了得到充分發(fā)展的初始層流氣流，從有機(jī)玻璃管的入口到放電極之間的距離為1300 mm。放電電極與高壓電源正極（量程0～40 kV）連接，通過調(diào)節(jié)高壓電源改變施加的電壓值。測試的液滴為平均直徑2 μm的油滴（RG－100 Shell Ondina oil 917），油滴由噴霧器產(chǎn)生。試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、環(huán)境溫度為20℃的條件下進(jìn)行。夾雜著油滴的初始?xì)饬髁髁繛?5 L/min。油滴和氣體構(gòu)成的流場由PIV系統(tǒng)測量，見圖2。脈沖激光由Nd－YAG激光器產(chǎn)生（波長λ=532 nm），通過柱狀鏡頭以激光片（厚度為1 mm）沿有機(jī)玻璃管的軸向?qū)⒂袡C(jī)玻璃管照亮。流場測試區(qū)域面積為200 mm×50 mm，圖片結(jié)果（1600×1186像素）由垂直于激光面的攝像機(jī)記錄，并導(dǎo)入計(jì)算機(jī)處理。數(shù)據(jù)的分析及處理由Dantec Dynamics提供的Flowmap系統(tǒng)軟件并結(jié)合Tecplot軟件來完成。

圖2 PIV測試系統(tǒng)Fig.2 PIV test system

1.2 伏安特性曲線

在流場測試試驗(yàn)開始前，為了了解該靜電分離結(jié)構(gòu)的電暈放電特性，將放電電極外接高壓電源正極，施加電壓為0～24 kV，在無初始?xì)饬鞯臈l件下測得分離器的伏安特性曲線，如圖3所示。通過伏安特性曲線可知，該分離器的起暈電壓為8 kV，擊穿電壓（或火花放電電壓）為23 kV。

圖3 靜電分離器的伏安特性曲線Fig.3 Volt-ampere characteristic curve of electrostatic separator

1.3 初始流場

為了驗(yàn)證初始的流動(dòng)是充分發(fā)展的層流，在進(jìn)口流量為25 L/min、無外加電壓的條件下，將方形有機(jī)玻璃管內(nèi)分離器進(jìn)口處理論計(jì)算的速度分布與試驗(yàn)測得的速度分布進(jìn)行對比。對于方形管在充分發(fā)展的層流條件下的速度分布，根據(jù)經(jīng)典流體力學(xué)理論可按下列公式求解:

式中，Umax和Um分別為管內(nèi)最大速度和平均速度，m/s;x為沿高度方向與管道中心的距離;m和n分別為兩個(gè)求解系數(shù);α=H/W為管子的高寬比。

理論計(jì)算的速度分布與實(shí)際測量的速度分布如圖4所示。兩條速度分布曲線幾乎重合，表明初始的流動(dòng)為充分發(fā)展的層流。同時(shí)，由圖4可知，測得的最大速度為0.360 m/s，該速度對應(yīng)的管內(nèi)平均流速為0.160 m/s，與由流量求得的平均流速0.163 m/s之間的誤差約為2%。由此可見PIV試驗(yàn)所得結(jié)果的精度是非常高的。

圖4 有機(jī)玻璃管內(nèi)速度分布的理論計(jì)算值和試驗(yàn)值對比Fig.4 Comparison between experimental and theoretical velocity distribution inside plexiglass pipe

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 電流體的典型流型

流場可視化試驗(yàn)結(jié)果由兩部分組成:一部分是由高速攝像機(jī)采集的在施加電壓為0、9、10、12、16、20 kV下的瞬時(shí)結(jié)果，見圖5，圖中箭頭方向代表流體流動(dòng)方向，區(qū)域顏色的深淺代表油滴濃度的高低，黑點(diǎn)代表放電電極（x=100，y=25）;另一部分是通過對100張瞬時(shí)圖片速度矢量求平均而得到的該條件下的時(shí)均速度矢量圖（由于篇幅原因，本文中只提供了施加電壓為0、9、12、16 kV時(shí)的速度時(shí)均矢量圖），見圖6。靜電分離器內(nèi)電流體流型分布隨著電壓的變化而變化。當(dāng)施加電壓為0或者施加電壓低于起暈電壓時(shí)，分離器內(nèi)氣體未發(fā)生電離，不能構(gòu)成外加電場，慣性力起主導(dǎo)作用，流型沒有任何變化，速度矢量呈典型的層流分布。當(dāng)施加電壓為9 kV時(shí)，由于電場力的作用，在放電電極和分離器的下游油滴以噴嘴的形式向兩個(gè)收集板移動(dòng);隨著電壓的升高兩噴嘴的開口變大，同時(shí)下游的噴嘴向放電極靠近。當(dāng)施加電壓達(dá)到12 kV時(shí)，兩個(gè)噴嘴重合，電流體二次流以兩個(gè)對稱的反向旋轉(zhuǎn)渦的形式在放電極上游出現(xiàn)。隨著電壓的繼續(xù)升高，渦的大小和強(qiáng)度增大，同時(shí)向遠(yuǎn)離放電極的方向移動(dòng)。由圖6（e）可以看出，在分離器的下游電流體逆向流開始出現(xiàn)。二次流和反向流的出現(xiàn)阻礙了流體沿軸向的運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果與公開的以粉塵等固體顆粒為工作介質(zhì)測量的流型結(jié)果相比，當(dāng)施加電壓在起暈電壓附近時(shí)，在分離器的下游本次試驗(yàn)未見卡門渦街的出現(xiàn)，而是以一個(gè)隨著施加電壓增加逐漸變大并向放電極逐漸靠攏的噴嘴的形式出現(xiàn)。

2.2 電流體的速度分布

油滴在靜電場中的運(yùn)動(dòng)取決于電場力和慣性力的相互作用。當(dāng)慣性力起主導(dǎo)作用時(shí)，油滴的運(yùn)動(dòng)以軸向?yàn)橹?當(dāng)電場力起主導(dǎo)作用時(shí)，油滴以向兩收集板（徑向）的運(yùn)動(dòng)為主。油滴的速度隨著施加電壓的變化而變化。油滴在施加電壓為9、12、16 kV下軸向和徑向的時(shí)均速度分布如圖7、8所示。

當(dāng)施加電壓為9 kV時(shí)，在放電極周圍和放電極的下游軸向速度減小，而上游沿軸線中心方向靠近放電極處的軸向速度增加。這一現(xiàn)象在施加電壓為12 kV時(shí)更為明顯，軸線中心方向放電極上游的最高速度可達(dá)到0.36 m/s，比未施加電壓時(shí)最大軸向速度提高了20%。此時(shí)在放電極周圍的軸向速度為零，這是因?yàn)榇颂幍碾妶鰪?qiáng)度最強(qiáng)，電場力起主導(dǎo)作用，驅(qū)使油滴向兩極板運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)以徑向?yàn)橹?。?dāng)施加電壓達(dá)到16 kV時(shí)，分離器中的電場強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，放電極周圍零軸向速度區(qū)域增大，放電極上游的最高軸向速度可達(dá)到0.52 m/s，同時(shí)在放電極下游出現(xiàn)逆向流（最高可達(dá)－0.1 m/s）。

油滴的徑向速度取決于所受的電場力，當(dāng)電場強(qiáng)度大到足夠克服慣性力時(shí)，徑向速度就取代軸向速度而占據(jù)主導(dǎo)位置。施加電壓為9 kV時(shí)，氣體剛發(fā)生電離，只有放電極處（x=100）的電場強(qiáng)度能夠克服慣性力的作用，在該處出現(xiàn)兩個(gè)對稱的徑向速度高速區(qū)，最大速度達(dá)到0.1 m/s。在最下游同時(shí)也出現(xiàn)兩個(gè)高速區(qū)，對應(yīng)著下游油滴以噴嘴的形式向兩收集極板移動(dòng)（圖5（b））。當(dāng)電壓為12 kV時(shí)，距放電極約5 mm處的電場強(qiáng)度已經(jīng)能夠克服慣性力的作用，在x=95處形成兩個(gè)對稱的高徑向速度區(qū)，最高速度達(dá)到0.4 m/s。隨著電壓的繼續(xù)升高，分離器內(nèi)的電場強(qiáng)度增大，高徑向速度區(qū)逐漸遠(yuǎn)離放電電極。當(dāng)施加電壓為16 kV時(shí)，高速區(qū)移至距放電電極15 mm上游處（x=85）。同時(shí)，由于電流體逆向流在放電電極下游以渦的形式出現(xiàn)，在距放電電極20 mm下游處（x=120）也出現(xiàn)兩個(gè)近似對稱的高徑向速度區(qū)，最大速度同樣可達(dá)0.4 m/s。

2.3 靜電分離效率

可以根據(jù)像素來判別油滴濃度的高低。利用MATLAB圖片處理模塊，對不同電壓下的流型圖沿x方向各個(gè)截面像素求平均，如圖9所示。由圖9可以明顯看出分離器出口濃度隨著施加電壓的升高而降低，即分離效率隨著電壓增加而提高。當(dāng)施加電壓為20 kV時(shí)，分離效率達(dá)到90%。另外一個(gè)明顯的趨勢是從分離器進(jìn)口，油滴濃度呈現(xiàn)上升趨勢。這是由于電流體二次流的出現(xiàn)阻礙了油滴沿軸向的運(yùn)移，導(dǎo)致分離器上游形成油滴高濃度區(qū)。當(dāng)靠近放電電極時(shí)，強(qiáng)電場迫使油滴向兩收集板移動(dòng)，油滴濃度迅速下降，實(shí)現(xiàn)靜電分離。

圖9 不同施加電壓下油滴濃度分布Fig.9 Oil droplets concentration distribution under different applied voltages

3 結(jié)論

（1）靜電分離器中電流體的流型和速度隨著施加電壓的變化而變化。在施加電壓小于8 kV（起暈電壓）時(shí)，流型和速度分布沒有任何改變。

（2）當(dāng)施加電壓在8～12 kV時(shí)，在放電電極周圍以及它的下游，油滴以噴嘴的形式向兩個(gè)收集極板移動(dòng)，噴嘴開口隨著施加電壓的增大而增大，同時(shí)下游的噴嘴逐漸向放電電極靠攏并最終與放電電極處的噴嘴重合。隨著電壓的繼續(xù)升高（大于12 kV），電流體二次流以兩個(gè)對稱的反向旋轉(zhuǎn)渦的形式在放電電極上游出現(xiàn)，其尺度隨著施加電壓的增大而變大，在放電電極的下游逆向流也以渦的形式出現(xiàn)。

（3）徑向速度隨著電壓增大而增大，最高可達(dá)0.4 m/s。徑向速度高速區(qū)位置隨著施加電壓增大逐漸遠(yuǎn)離放電電極。分離器的分離效率隨著施加電壓的增大而提高。二次流的出現(xiàn)阻礙了油滴沿軸向的運(yùn)移，在分離器的上游形成油滴高濃度區(qū)。

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Visualization study of electrohydradynamic flow field in electrostatic separator

KONG Xiang－ling1，2，ZHU Hong－wu1，MOHAMED Alshehhi2，AFSHIN Goharzadeh2，DING Kuang1

（1.Faculty of Mechanical and Oil-Gas Storage and Transportation Engineering in China University of Petroleum，
Beijing102249，China;2.Department of Mechanical Engineering，Petroleum Institute，P.O.Box2533，Abu Dhabi，UAE）

The electrohydradynamic（EHD）flow characteristics of micron size（2 μm）oil droplets in a wire－plate electrostatic separator were investigated by particle image velocimetry（PIV）method.The typical flow patterns and velocity distribution under fully developed laminar flow（gas flow velocity of 0.16 m/s）were presented with the applied voltage changed.The results show that the EHD flow patterns and velocity distribution were significantly influenced by the applied voltage.When the applied voltage is below the onset corona discharge voltage（＜8 kV），the flow field does not change significantly.With the increase of applied voltage（8－12 kV），oil droplets at the discharge electrode and the downstream of the separator move towards to the two collecting plates in the form of jet.The transverse velocity and axial velocity at upstream increase as the applied voltage increases.When the voltage is above 12 kV，the EHD secondary flow at upstream of discharge electrode appears in the form of two symmetric counter rotating vortices.The sizes of vortices increase with the voltage increasing.The maximum transverse velocity can reach up to 0.4 m/s.Meanwhile，the EHD reverse flow appears at the downstream of the separator.The appearance of EHD secondary and reverse flow blocks the flow along axial direction.The separation efficiency increases with the increase of the applied voltage.

electrostatic separator;particle image velocimetry（PIV）;electrohydradynamic flow;flow pattern;velocity distribution;secondary flow;reverse flow

TM 89;TQ 051

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2011.06.023

1673－5005（2011）06－0135－05

2011－04－12

孔祥領(lǐng)（1984－），男（漢族），山東菏澤人，博士研究生，主要從事靜電分離及電流體的試驗(yàn)與理論研究。

（編輯 沈玉英）