粉塵濃度測量裝置利用渦流發生效應的優化研究

劉丹丹,溫海蔚,趙文帝

(黑龍江科技大學電氣與控制工程學院,黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

近年來,隨著現代工業和科學技術的迅速發展,各項粉塵數據的測量顯得越來越重要。各類發電廠響應國家“節能減排”戰略,對排放的流量有進行測量的硬性要求。因此,及時對粉塵濃度及流量進行檢測具有重要意義。

現階段,常規粉塵檢測操作對于環境影響較大,會出現測量偏差和頻繁操作等問題[1]。在國內,很多學者通過摩擦起電的原理對粉塵進行了研究。趙恩彪等[2-3]研究了利用電荷感應法測量粉塵密度的原理,并采用試驗系統的方法研究了不同粉塵粒徑下產生電荷之間的線性關系。陳建閣等[4]研究了粉塵質量流量的測量方法,得出環狀探頭適用于測量勻速且均勻分布顆粒體的結論。許傳龍等[5]對環狀探頭的空間靈敏度進行了氣固兩相流分析,并分析了各種探頭結構參數對該方法測量結果的影響。但是,粉塵帶電量十分有限,使得探頭感應量也很微弱。

本文為減少粉塵密度測量誤差、提高粉塵濃度的測量精度,對現有粉塵檢測管道的設計進行改造[6]。最終通過試驗進行氣固兩相流仿真試驗以及數據驗證檢驗。該研究對粉塵檢測裝置的測量靈敏度研究有一定的意義。

1 現有傳感器的結構和工作原理

當前,常用來測量和研究的粉塵靜電傳感器[7]可以分為三種類型:環狀傳感器、針狀傳感器和棒狀傳感器。棒狀傳感器屬于對粉塵直接接觸式的測量傳感器,適合在大口徑管道中測量粉塵數據,其優點為易于安裝[8]。針狀傳感器和環狀傳感器特點相似,都屬于非接觸式靜電傳感器,采用鑲嵌式安裝,對于大口徑管道安裝成本較高、靈敏度高。本文研究對象為三種傳感器中的環狀傳感器。

裝置結構如圖1 所示。

圖1 裝置結構圖Fig.1 Structure of device

接觸帶電過程如圖2 所示。

圖2 接觸帶電過程示意圖Fig.2 Contact charge process

同時,對于環形靜電傳感器而言,靜電傳感器能夠根據測量所得信息得到流動平均速度。粉體的懸浮性使得粉體顆粒物與大地總是絕緣的,因此,每個顆粒都有可能帶電[9]。普通顆粒物接觸并產生電荷的過程為:固體的接觸、分離和摩擦效果。本文著重對第一種起電方式進行研究。

需要研究的電荷Q與理論上接觸裝置的電荷Q0之間滿足如下關系:

式中:f為逸散系數,取值范圍是0

2 靜電傳感器的優化設計

2.1 設計原理和優勢分析

對現有靜電傳感器測量粉塵的不精確問題,提出利用文丘里效應與渦流發生器相結合的方法,對現有傳感器的直管管道進行改進。

渦流發生器[10-11](vortex generator)于1947 年被美國聯合飛機公司的 Banes 和Taver 提出。渦流發生器是垂直安裝在機翼表面的、具有小展弦比特性的物體[12]。這使得處于逆壓梯度中的邊界層流場能量增加,從而使得氣流能繼續貼附在物體面上而不產生氣流分離。這也恰好符合本管道流體吸附于管道面便于測量的標準。

渦流發生器廣泛應用于流體研究各個領域的原因有很多,主要有幾何形態簡單流場中沒有歷史遺留旋渦,便于試驗的研究觀察;而且所在的流場中也會包含豐富的分離及渦運動形態,使得此發生器對基礎研究有重要作用。對安裝渦流發生器的模型作流體觀察,可以看到其誘導超過邊界層以外的高能氣流貼近表面,從而可替代內層原本的低能氣流。臨近渦流發生器表面的氣流會因為渦流發生器的作用提高內在能量,同時邊界層的氣流因能量變化使得整體流速得到提升,可抑制表面層便捷分離[13]。以上機理表明:加裝渦流發生器的模型表面,流速增加、推遲或抑制了邊界層分離。本文利用近幾年這方面的研究成果,對文丘里管道[14-15]進行改進。

2.2 幾何模型的建立

本研究在Pro Engineer 中建立3D 立體模型。根據相關文獻,設置管道結構。管道中收縮段和擴散段管徑為6 cm、長度為4 cm;喉道段管徑為4 cm、長度為8 cm。渦流發生器在喉道段處,共設置3 個。根據氣流穩定度以及對增速的要求,每個渦流發生器水平相距120°。出口和入口管口直徑為16 cm。改進的管道結構如圖3 所示。

圖3 改進的管道結構示意圖Fig.3 Improved pipeline structure

本設計的目的在于增加管道中央煙塵的氣體流速并精確測量值。所以在管道中央設置的收縮口起到了壓縮空氣的作用,更易于匯聚壓力。管道中的渦流發生器采用三角結構,三組器件在管道同截面設置間隔120°固定,對環狀傳感器的電荷量檢測更加精確。三角翼形渦流發生器和文丘里管道的設計簡潔、效果顯著。當氣體經過管道中央時,會在尾翼形成渦流,使得煙塵在氣體旋渦的作用下更貼近于管壁運動。此優化對于氣流的加速起到了更直接的作用。具體仿真操作如下:進 入ANSYS19.0 進行設置,選 擇其中的Workbench 程序,構建3D 模型;提取流體并封閉左右管口,設置流體模式并禁用固體模式;進入網格模塊,設置進口在左、出口在右,選擇類型為默認類型。設置管壁:網格步長為2 mm、溫度取自然溫度300 K。

該設計使用Fluent19.0 對仿真條件進行設置。假設此管中的流動形態為穩態,采用Eulerian 模型計算相關數值并開啟能量方程。顆粒設置:導熱系數為0.3 W;密度為2 600 kg/m3;粘度為1.8e-05 Pa.s;比熱容為1 200,單位的設置基于軟件尺寸的選擇;溫度取自然溫度295.10 K。相態中:主相為空氣,副相為顆粒,粉塵顆粒受到曳力作用。空氣的入口速度設為4 m/s。設置中,以粉塵不受到空間曳力的作用為佳,粉塵速度設為3 m/s,管壁內選擇對流,自然對流系數取6,顆粒體積分數為0.012。在迭代計算時,動態顯示計算殘差,對應的精度均為0.001,管道進口的水力直徑Volume Fraction 為0.15,設置迭代次數為6 000 次。

3 仿真結果及對比分析

3.1 仿真圖的分析

在設置上述模型的相關參數前提下,將粉塵顆粒直徑設為1 μm、3 μm、5 μm、7 μm、10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm,并進行仿真試驗。在XOY面(Z-Coordinate)得到管道內流體的粉塵顆粒與空氣混合的速度云圖,并在ZOY面(X-Coordinate)得到管道側面粉塵流通的速度云圖。

通過仿真反饋的速度云圖可以看出,管道內顆粒物在渦流發生器的作用下產生旋渦,并有效增大顆粒物流速。接下來,對比文丘里管道和三角渦流發生器的管道顆粒物運動情況,以7 μm 粒徑大小作為測量結果進行觀察。

7 μm 粒徑速度云圖如圖4 所示。

圖4 7 μm 粒徑速度云圖Fig.4 Velocity nephogram of the 7 μm particle diameter

3.2 數據對比分析

通過讀取改進管道試驗仿真的速度云圖,測得管道中間段的速度值,并且與項目組中研究的文丘里管道測得的速度值進行對比。基于此,可得到不同粒徑下粉塵通過改進管道、文丘里管道、普通管道的顆粒速度對比結果。

不同粒徑下的粉塵顆粒速度如表1 所示。

表1 不同粒徑下的粉塵顆粒速度Tab.1 Dust particle velocity under dfifferent particle sizes

如表1 所示,在不同粒徑下,改進管道相比另外2種管道而言,測得的速度值更高、效果更顯著、在顆粒較小的情況下測得的速度值相對明顯。

由表1 可知,改進管道的速度值明顯高于直管。由于管道中渦流發生器的原因,混合氣體通過管道時,會在尾翼處產生空氣旋渦,更易使顆粒物充分接觸環狀電荷感應傳感器。利用MATLAB 計算,由電荷量歸一化可看出,改進管道整體感應電荷量提高20%,顆粒物在10 μm 以下時感應電荷量提高約30%。對速度和感應電荷量的綜合分析,有助于測量的精準。

電荷量歸一化結果如圖5 所示。

圖5 電荷量歸一化結果Fig.5 Charge normalization results

對管道的電荷量采集進行理論認證。在改進管道前后進行模型的電荷量觀察。將點電荷與極板中軸線的距離定義為x,取x為1,2,...,7,并對電荷量進行分析。

裝置改進前后,x對荷電的影響如表2 所示。

表2 x 對荷電的影響Tab.2 x effect on the charge

綜合表2 數據,繪制函數折線圖。改進前后感應電荷對比如圖6 所示。

圖6 改進前后感應電荷對比Fig.6 Comparison of induction charge before and after improvement

由圖6 可知,改進管道的電荷量更大,即粉塵濃度檢查對于此管道的檢測效果更佳。

4 環形靜電傳感器

4.1 數學模型和感應電荷計算式

靜電傳感器數學模型如圖7 所示。

圖7 靜電傳感器數學模型Fig.7 Static sensor mathematical model

目前來說,英國Kent 大學Yan Yong 教授[16-17]在應用靜電感應原理研究顆粒流動參數方面處于領先地位,并做出了一定成績。在點電荷研究的基礎上,通過感應電荷的數學模型計算環狀傳感器所得電量。

式(2)、式(3)為環狀傳感器電荷量計算公式。

式中:z為顆粒速度v與時間的乘積;w為極板寬度;q為以一定速度通過極板的點電荷;D為環形極板的直徑;Q為極板上的感應電荷量;x為感應電荷與極板中軸線的距離。

利用MATLAB2019a 軟件生成數學模型,導入各粒徑顆粒物通過管道的速度值,計算得到感應電荷量。根據數據計算,得到文丘里管道和改進管道的感應電荷量值;通過數據進行比較,證明研究可行性。

4.2 感應電荷量對比分析

根據環形靜電傳感器的感應電荷量計算公式和表1 數據,利用MATLAB2019a 進行計算,得到改進管道的感應電荷量,并與項目組研究的文丘里管道的感應電荷量進行對比[18]。其粒徑不同時所帶感應電荷量的增加率如圖8 所示。

圖8 感應電荷量的增加率Fig.8 Induction charge increase rate

通過對比圖6、圖8 可知,改進管道相對于文丘里管道而言,感應電荷量有了明顯的提升。尤其在1～20 μm 的粒徑下,改進管道測量效果更加明顯。

5 結論

利用現有的靜電感應式粉塵濃度傳感器的工作原理,研究分析儀器在低濃度環境下的測量精確性問題,并結合影響靜電感應信號的因素,使用文丘里管道和渦流發生器相結合的方法對粉塵濃度進行測量。在10 μm 以下的小粒徑當中,顆粒物速度提升約24%。以7 μm 粒徑為例,粉塵在管道內運動速度從7.55 m/s 提升至10.41 m/s,使測量精度和測量水平穩定提高。

利用PROE 5.0 軟件構建3D 模型,導入Fluent軟件進行數據仿真。根據仿真結果和數據對比分析,改進的測量管道與項目組研究的文丘里管道相比,其測量精度得到提高。利用MATLAB,通過電感應計算式計算感應電荷量,可得:感應電荷量與文丘里管道相比,能使小粒徑粉塵的電荷量平均提高23.75%,整體感應電荷量提高,更有利于傳感器接收到顆粒物靜電信號。

最后,在測量粉塵數據的同時也會產生不同種類的誤差。由于電荷感應測量方法也有影響因素需要及時標定,后續會研究對其進行因素補償。