工业捕集罩内不同粒径颗粒物与壁面碰撞的数值模拟研究

作     者：王登超 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王怡

授予年度：2019年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：捕集罩 颗粒-壁面碰撞 数值模拟 边界修正 

摘      要：工业生产中散发的固体颗粒物是极为常见的污染物,对作业环境及工人的身体健康造成一系列危害。常采用不同形式的捕集罩对固体颗粒污染物进行控制,数值模拟技术作为常用研究方法,能够方便快捷的预测颗粒物在捕集罩内的迁移分布,从而获得最佳设计参数。颗粒物与捕集罩壁面的碰撞作用影响颗粒物的运动,是影响数值模拟预测结果准确性的重要因素。因此,建立碰撞边界修正条件下的颗粒物迁移数值计算模型,明确捕集罩内碰撞作用对不同粒径固体颗粒物运动的影响,可以提高数值模拟的准确性,对捕集罩的精细化设计具有一定的理论意义和工程应用价值。工业生产过程中对人体危害较大的固体颗粒通常是低速运动且粒径小于100μm。因此,为了获得适用于该粒径、速度范围的颗粒-壁面碰撞模型,本文首先对常用的两种碰撞模型,即LS-DYNA模型和沉积模型的适用性进行了分析。以工业污染物粉煤灰的主要成分SiO作为研究对象。在LS-DYNA中建立了SiO颗粒与不同材料金属板的碰撞模型,研究发现模型适用于高速入射下能量损失主要由塑性变形引起的情况,而在低速入射时能量损失主要由物体表面分子间作用力引起,该模型预测结果误差显著。较之LS-DYNA模型,沉积模型较为准确的反映出速度小于20m/s时颗粒物与壁面的碰撞过程。进而,基于该模型对粒径1-100μm的固体颗粒物与水平壁面的低速正向碰撞过程进行数值计算,研究发现颗粒物粒径小于30μm,速度小于极限弹性速度时,不同粒径颗粒物的能量损失差异较大,当粒径大于30μm时,粒径基本对碰撞过程的能量损失无显著影响。此后,依据沉积模型编写UDF,将Fluent DPM模型与沉积模型进行耦合,建立碰撞边界修正条件下的颗粒物迁移数值计算模型。进而选取两种结构形式不同、捕集机理不同的捕集罩,即上部吸气罩和管束碰撞捕集罩作为典型算例。对1-30μm固体颗粒物在捕集罩内的运动进行了数值模拟分析,量化了碰撞作用对上部吸气罩和管束碰撞捕集罩对不同粒径固体颗粒物捕集效率的影响。对上部吸气罩作用下的流场、颗粒浓度场和捕集效率进行了分析。较之未考虑碰撞作用的数值计算模型,采用本文的修正模型后,污染物散发速度为0.3m/s时,排风速度小于0.6m/s,捕集效率模拟结果会高出2%-4%,排风速度大于0.6m/s,上部吸气罩的捕集效率模拟结果基本不变。污染物散发速度为0.4m/s时,排风速度小于0.8m/s,捕集效率模拟结果会高出2%-4%,排风速度大于0.8m/s,模拟结果基本不变。对管束碰撞捕集罩内的流场、颗粒浓度场和颗粒沉积情况进行了分析。研究发现颗粒与壁面碰撞作用对其沉积量的数值预测结果具有显著影响。总体来看,粒径为1-10μm的颗粒影响较大,1-10μm颗粒在捕集罩内的总沉积量减少5%-10%,而20μm和30μm颗粒基本不变。下壁面作为主要碰撞区域,沉积量偏差较大。1-10μm颗粒在下壁面上沉积量差异大于50%,其差异性随着粒径的增加而减小。