顧平道姜冠宇 竇中杰 楊彥武

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）

導(dǎo)流裝置對含油霧顆粒氣流影響的數(shù)值模擬

顧平道*姜冠宇 竇中杰 楊彥武

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）

使用數(shù)值模擬分析的方法，探究在加裝角鋼和百葉這兩種導(dǎo)流裝置的情況下，靜電式油霧凈化器箱體內(nèi)氣流的變化。結(jié)果顯示，在含油霧顆粒氣流質(zhì)量流量相同的前提下，角鋼對箱體四周漩渦具有抑制作用，因而減少了漩渦區(qū)對氣流造成的能量損耗。

導(dǎo)流裝置 油霧顆粒 氣流 漩渦區(qū) 油霧凈化器

0 引言

在金屬加工過程中，由于金屬切削液的使用，會在空氣中形成大量2～10 μm的油霧顆粒，對周圍環(huán)境和人體健康造成嚴重影響。目前，利用靜電方法去除油霧顆粒是較為高效可行的途徑。靜電式油霧凈化器的原理類似于靜電式除塵器，通過使油霧顆粒帶電，被極板吸附，從而達到凈化空氣的目的[1]。

目前市場上主流的靜電式油霧凈化器其入口與箱體的擴口角度大多為60°左右。如圖1所示，由于氣體流動中的慣性作用，油霧顆粒的運動軌跡不可能按照管道的形狀突然擴大，所以在四周的擴口管壁處形成漩渦區(qū)。漩渦區(qū)的存在，消耗了主流區(qū)的能量；同時，漩渦也加劇了下游的紊流脈動，從而更加大了能量損失[2]。此外，由于氣流內(nèi)含大量油霧顆粒，漩渦的存在使得油霧大量地附著在側(cè)壁，不利于清潔[3]。

圖1 箱體入口處的氣流

調(diào)整入口的角度，雖然能減少相應(yīng)的能量損失，但同時增加了箱體的長度和材料消耗，有悖于油霧凈化器向靈巧、高效、節(jié)能方向發(fā)展的趨勢。據(jù)此，可以考慮在箱體擴口處與靜電極板之間加裝導(dǎo)流裝置，調(diào)整箱體內(nèi)含油霧顆粒的氣流組織，減少能量損失，同時向極板處提供平緩均勻的氣流。李丹等[4]研究了百葉這種最常見的導(dǎo)流裝置在空調(diào)風口中的阻力特性與幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系。本研究將分別使用百葉與角鋼兩種導(dǎo)流裝置，利用Fluent軟件進行數(shù)值模擬分析。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 連續(xù)性方程

流體的連續(xù)性方程即質(zhì)量守恒方程，其微分形式為：

式中 ux——x方向的速度分量，m/s；

uy——y方向的速度分量，m/s；

uz——z方向的速度分量，m/s；

t——時間，s；

ρ——密度，kg/m3[5]。

1.2 湍流模型

在湍流模型中比較常見的有標準（standard）κ-ε模型、可實現(xiàn)（realizable）κ-ε模型和重組化群（RNG）κ-ε模型。其中，標準κ-ε模型只適用于完全湍流的流動過程模擬；可實現(xiàn)κ-ε模型適用的類型比較廣泛，但由于所需參數(shù)較多，在缺乏足夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)支持的情況下，精度不高。相比之下，重組化群κ-ε模型修正了湍流黏度，并且考慮到了平均流動中的情況，在方程中增加了反映主流時均變率的項，可以更好地處理高雷諾數(shù)、高應(yīng)變率以及流線彎曲程度較大的流動[5]。所以，在本研究中，使用重組化群（RNG）κ-ε模型可以更好地計算出箱體內(nèi)的氣流分布情況[6]。其湍動能和耗散率方程如下：

1.3 離散相模型

在離散相模型（discrete phase model）中，油霧被看做離散存在的一個個細小顆粒。首先計算連續(xù)相流動，再結(jié)合流場變量求解每一個顆粒的受力情況，從而獲得顆粒的速度，并追蹤每一個顆粒的軌道[7]。

在此模型中，第二相（離散相）非常稀疏，因此可以忽略顆粒與顆粒之間的相互作用，以及顆粒體積分數(shù)對連續(xù)相的影響。這也就意味著離散相的體積分數(shù)必然很低，一般要求小于10%～12%，但是顆粒的質(zhì)量載荷可以大于這個數(shù)值。

2 網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)置

靜電式油霧凈化器的物理模型外觀參數(shù)為：主箱體740 mm×310 mm×400 mm，入口200 mm×155 mm，擴口角度60°。主箱體內(nèi)過濾段由于非本文主要研究內(nèi)容，模型已被簡化，僅表示出平行的電極板。加裝的角鋼尺寸20 mm×20 mm，厚度為4 mm；百葉寬度20 mm，厚度也為4 mm。利用Gambit軟件繪制模型，生成計算區(qū)域幾何體并劃分網(wǎng)絡(luò)，生成的網(wǎng)格為六面體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格。其中，入口與箱體采用Cooper類型，擴口部分則采用TGrid類型。網(wǎng)格總數(shù)約為450萬個。網(wǎng)格的劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分（加裝百葉）

工程中應(yīng)用最為廣泛的流場計算方法為壓力耦合計算法（SIMPLE算法），這也是用于求解不可壓流場的常用方法，本研究的計算即采用SIMPLE算法[8]。入口條件為速度入口（velocity inlet），分布均勻，速度設(shè)置為15 m/s；出口為自由流出（outflow）。湍流強度為10%，水力直徑為

油霧顆粒的粒徑設(shè)置為8 μm，入口速度為15 m/s，質(zhì)量流量為0.05 kg/s。計算殘差設(shè)置為10-5，經(jīng)過2000次的迭代計算，基本達到收斂。

3 結(jié)果與分析

為了研究在安裝不同導(dǎo)流裝置的情況下，油霧凈化器內(nèi)部的氣流組織情況，本文分別在平行百葉與角鋼這兩種導(dǎo)流裝置以及無導(dǎo)流裝置的工況下進行數(shù)值模擬分析。

3.1 速度分布

根據(jù)圖3中的結(jié)果可知，在未安裝導(dǎo)流裝置的速度矢量圖中，產(chǎn)生漩渦的現(xiàn)象非常嚴重，并且漩渦中心靠近極板一段。這導(dǎo)致了箱體電極板進氣極不均衡，兩側(cè)極板的氣流強度幾乎只有中間峰值的一半。在安裝角鋼的箱體內(nèi)，由于角鋼的壓縮，含顆粒氣流在流出擴口后，其兩端的漩渦區(qū)面積明顯減小，強度減弱，并且漩渦中心移至擴口壁一側(cè)，減少了對極板處的影響[10]。氣流接觸角鋼時，在局部形成了類似于45°漸縮口的結(jié)構(gòu)。這樣使得角鋼間縫隙處對應(yīng)的極板間氣流速度顯著增加。但是由于角鋼本身形狀的特點，導(dǎo)致在角鋼的后側(cè)局部形成了小型的漩渦，削弱了對應(yīng)位置的極板間氣流速度。而在安裝百葉的箱體內(nèi)，百葉只是將原本的一個漩渦區(qū)分割成了前后兩塊，氣流組織情況并未明顯改善。反而由于百葉自身的遮擋，使得中間部分原本密集的氣流遭到部分削弱?？傮w來說，加裝百葉對箱體內(nèi)氣流無顯著影響。

圖3 不同導(dǎo)流裝置下y=0截面速度矢量圖

圖4 是根據(jù)角鋼和百葉兩種不同工況下，截取z=0平面中根據(jù)x坐標軸而變化的速度最大值與平均值制作而成的。從圖4（a）、（b）兩圖的對比可以看出，在碰撞到導(dǎo)流裝置時，角鋼的衰減更為明顯，但是由于局部漸縮的效果，氣流被重新匯聚，到達極板時的氣流速度穩(wěn)定在8 m/s左右；而在加裝百葉的箱體中，雖然前部對氣流的影響相較于角鋼更小一些，更是后部的最大速度與平均速度相差近2 m/s，這說明氣流在極板處仍未達到穩(wěn)定狀態(tài)，且平均速度也衰減為6 m/s左右。

圖4 不同導(dǎo)流裝置下最大速度與平均速度沿x坐標變化

3.2 顆粒物軌跡

從圖5的對比可以看出，在加裝角鋼后，顆粒物流動空間分布更加均勻，上下兩側(cè)的空間得到有效利用；但同時，顆粒物與壁面以及導(dǎo)流裝置碰撞的幾率增大，這也就意味著油霧更有可能附著在漸擴口的拐角以及角鋼的死角處，增大凈化器的清潔難度。而在加裝百葉的圖中，我們發(fā)現(xiàn)顆粒物并未被兩側(cè)的漩渦卷吸開來，而基本上仍然沿著原有軌跡行進，上下兩側(cè)空間沒有得到有效利用。

圖5 不同導(dǎo)流裝置下顆粒軌跡

4 結(jié)論

本文使用數(shù)值模擬分析的方法，探究了在加裝角鋼和百葉這兩種導(dǎo)流裝置的情況下，靜電式油霧凈化器箱體內(nèi)氣流的變化。結(jié)果顯示，在含油霧顆粒氣流質(zhì)量流量相同的前提下，角鋼對箱體四周漩渦具有抑制作用，因而減少了漩渦區(qū)對氣流造成的能量損耗。具體有如下結(jié)論。

（1）在無導(dǎo)流裝置時，箱體前部兩側(cè)的漩渦區(qū)面積較大，而且由于漩渦中心靠近極板，對板間氣流影響明顯。箱體上下兩側(cè)的極板，由于靠近漩渦，流量大幅縮小?？偠灾?，在無導(dǎo)流裝置的情況下，氣流能量損失較大，分布不均勻。

（2）加裝角鋼后，漩渦區(qū)面積明顯減小，強度也有所削弱。同時，角鋼對氣流進行了較為有效的梳理，使兩側(cè)的極板空間得到利用，極板間的氣流組織更加均勻。尤為顯著的是，由于局部的漸縮效果，縫隙間的氣流得到加強。但同時，角鋼背部形成的小型漩渦也在一定程度上削弱了部分板間的氣流，且油霧易附著在角鋼的死角處。在以后的研究中，可以通過改進角鋼的結(jié)構(gòu)，即改變其兩端長度、減小鋼板厚度以及其它可行方法，來進一步改進其導(dǎo)流性能。

（3）加裝百葉后，對于60°的漸擴箱體，由于上下兩側(cè)的漩渦區(qū)較大，百葉將其分割后，前后兩側(cè)仍形成較為獨立的漩渦區(qū)。而與角鋼相比，也并未對氣流起到局部加強的作用。可見，百葉作為比較常見的導(dǎo)流裝置，在加入箱體后，對內(nèi)部氣流組織起到的作用較為有限，并不適用于漸擴口的管內(nèi)流動。

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Numerical Simulation of the Influence of Guiding Devices on Air Flow Containing Oil Mist Particles

Gu Pingdao Jiang Guanyu Dou Zhongjie Yang Yanwu

By using numerical simulation analysis,investigates the change of air flow in the electrostatic oil mist purifier tank installed with angle steel or shutter as air deflector.It is shown that when the mass flow rates of the air flows containing oil mist particles are equal,the angle steel helps to suppress the vortex flow around the tank, and thereby,the energy loss of air flow caused in the vortex area is reduced.

Guiding device;Oil mist particles;Air flow;Vortex area;Oil mist purifier

TQ 050.2

2014-05-19)

*顧平道，男，1965年生，博士，副教授。上海市，201620。