一种用于判断荷电颗粒碰撞凝并的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于判断荷电颗粒碰撞凝并的方法，采用离散颗粒模型计算颗粒运动规律用于判断荷电颗粒碰撞凝并，由于采用的粒子碰撞凝并机理与现有理论分析相符，可较为真实的模拟荷电粒子的凝并现象，这对粒子凝并研究和工程应用具有重要的积极影响。数值模拟计算结果得出的电凝并器对PM10的凝并效果与实测结果一样，都在45％以上，这就说明该种荷电颗粒碰撞凝并的判断方法是符合实测规律的，这也对荷电颗粒凝并的研究提供了一种高效的分析手段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于模拟计算电凝并
，具体涉及一种用于判断荷电颗粒碰撞凝并的方法。
技术介绍
20世纪初人们就开始了对微细颗粒物凝并现象的研究。然而，直到上个世纪末，对气溶胶科学的研究才开始讨论在外电场力作用下带电粒子的凝并行为。静电凝并与净化技术的发展为收集工业烟气中的亚微米粒子提供了一个有效的途径。学者们利用电凝并的方法开展了大量的尘粒预荷电凝并理论与实验研究，并已进行工业化应用。电凝并器是一种新兴的粒子预处理装置，采用上述原理增大颗粒粒径，提高后续除尘设备的除尘效率。与中性颗粒的凝并相比,异极性荷电,尤其是不对称异极性荷电(较大颗粒和较小颗粒异极性荷电),对提高亚微米颗粒的凝并速率非常有效，因此，电凝并器以异极性荷电凝并机理为主。在电凝并器内，根据荷电粒子凝并机理的不同，可将荷电粒子的凝并分为布朗凝并和库伦凝并。悬浮于电场空间内的颗粒由于永不停息的布朗运动而不断发生的凝并过程称为热力凝并(又称布朗凝并)；带电粒子由于库仑力的作用而产生的凝并称为库伦凝并；另外，受气流场和重力场的影响，也会使粒子间发生凝并。由上述可知，粒子碰撞及凝并机理复杂，在实际工程应用中，通过数值模拟判断凝并效应、优化设计参数具有重要的指导意义。当前电除尘、电凝并两相流数值模拟探索主要基于Fluent这一计算流体动力学软件进行，其提供的离散相模型(Discrete Phase Model DPM)通常用于模拟计算颗粒相体积分数<10％的计算模型，凝并器内的颗粒相体积分数很低，适合离散型模型。DPM模型模拟计算粒子间的碰撞时采用O’Rourke碰撞模型。建立模型主要是考虑以下几个问题：(1)粒子碰撞对的搜索(碰撞对象的选取)，主要对处在同一个网格内的粒子进行计算和判断其碰撞的可能性；(2)粒子碰撞与否的判断，对于计算粒子之间碰撞与否的判断通过计算随机碰撞概率的方法实现，即碰撞概率大于(0，1)内取值的随机数则粒子间不发生碰撞，反之则同一网格内的粒子至少发生一次碰撞；(3)粒子碰撞的结果，通过选取随机数将碰撞结果分为反弹和凝并两种情况。一般来说当碰撞作用参数小于临界作用参数(随机数)时粒子发生凝并，反之则反弹。由此可知，O’Rourke碰撞模型存在几点不足：一是对颗粒碰撞与否的判断上采用了随机碰撞概率的方式，这与碰撞理论不符；二是粒子碰撞结果也是采用随机数作为判定标准，这与上述荷电粒子凝并的机理不符。如采用O’Rourke模型模拟计算荷电粒子的凝并现象则会严重偏离实测结果，可能出现超大粒径粒子的产生。
技术实现思路
本专利技术解决的问题在于提供一种用于判断荷电颗粒碰撞凝并的方法，根据荷电颗粒凝并原理实现了对荷电颗粒的凝并现象进行高效的数值模拟计算。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种用于判断荷电颗粒碰撞凝并的方法，包括以下操作：1)构建包含多个随机颗粒的气固两相流模型；2)扫描整个模型内各颗粒并获取其位置和大小信息，对位于电凝并器荷电区域的颗粒赋予荷电量，位于阴极区域的带正电，位于阳极区域的带负电；3)根据O’Rourke模型的选取条件选择颗粒碰撞对，如颗粒在设定的凝并功能区内进行下一步，否则重新选择颗粒对；4)判断两颗粒的荷电极性，如果两个颗粒的荷电极性相反或只有某一颗粒不带电则认为该颗粒对有碰撞的可能，进行下一步判断，反之进行步骤3)重新选择新的颗粒碰撞对；5)计算计算两颗粒间距Dnm，如果该距离不大于D×k，其中D为两个颗粒的半径和，k的取值范围为1～2，则认为颗粒凝并，直接跳至步骤7)，反之则进行下一步判断；6)计算两颗粒在时间迭代步内的两颗粒间距Dnm中最短距离Dmin，如Dmin≤D×k，则认为两颗粒发生碰撞凝并，反之进行步骤3)重新选择新的颗粒碰撞对；7)对两颗粒进行合并，并计算合并后颗粒的相关参数，从流场中移除两个原颗粒；8)对所有颗粒碰撞对计算判断完成后进行下一个时间步的计算，然后跳至步骤3)直至所有时间步计算完成；9)完成模拟计算，输出结果。在对颗粒赋予荷电量时，荷电量按下式进行计算： q = 3 ϵϵ 0 d 2 E 0 ϵ + 2 · 1 1 + 4 ϵ 0 N 0 e k t + 2 πϵ 0 d k T e ln ( 1 + d u ‾ e 2 t 8 ϵ 0 k T ) ]]>式中，等号右侧第一项为电场荷电量，第二项为扩散荷电量，q为粒子的电场荷电电量，C；ε0为真空介电常数；ε为粒子的相对介电常数；d为粒子直径，m；E0为粒子所在位置的电场强度，V/m；N0为离子浓度，个/m3；e为单位电荷电量；k为波尔兹曼常数；t为粒子进入电场时间，s；T为气体绝对温度，K；为气体离子的平均热运动速度，m/s。对于粒径大于1μm的以电场荷电为主，粒径小于0.4μm的以扩散荷电为主进行荷电量的赋予。所述从步骤4)开始的两颗粒是否凝并是对粒子dn与其所在网格Wn内的粒子dnm进行的判断，在将粒子dn与其所在网格Wn内所有粒子判断完成之后才进行下一粒子的扫描和判断；网格Wn的大小在模型网格划分时指定。所述的两颗粒间距Dnm的计算为：Dnm＝(vn-vnm)Δt+Ds D s = ∫ ∫ 0 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于判断荷电颗粒碰撞凝并的方法，其特征在于，包括以下操作：1)构建包含多个随机颗粒的气固两相流模型；2)扫描整个模型内各颗粒并获取其位置和大小信息，对位于电凝并器荷电区域的颗粒赋予荷电量，位于阴极区域的带正电，位于阳极区域的带负电；3)根据O’Rourke模型的选取条件选择颗粒碰撞对，如颗粒在设定的凝并功能区内进行下一步，否则重新选择颗粒对；4)判断两颗粒的荷电极性，如果两个颗粒的荷电极性相反或只有某一颗粒不带电则认为该颗粒对有碰撞的可能，进行下一步判断，反之进行步骤3)重新选择新的颗粒碰撞对；5)计算计算两颗粒间距Dnm，如果该距离不大于D×k，其中D为两个颗粒的半径和，k的取值范围为1～2，则认为颗粒凝并，直接跳至步骤7)，反之则进行下一步判断；6)计算两颗粒在时间迭代步内的两颗粒间距Dnm中最短距离Dmin，如Dmin≤D×k，则认为两颗粒发生碰撞凝并，反之进行步骤3)重新选择新的颗粒碰撞对；7)对两颗粒进行合并，并计算合并后颗粒的相关参数，从流场中移除两个原颗粒；8)对所有颗粒碰撞对计算判断完成后进行下一个时间步的计算，然后跳至步骤3)直至所有时间步计算完成；9)完成模拟计算，输出结果。...

【技术特征摘要】
1.一种用于判断荷电颗粒碰撞凝并的方法，其特征在于，包括以下操作：1)构建包含多个随机颗粒的气固两相流模型；2)扫描整个模型内各颗粒并获取其位置和大小信息，对位于电凝并器荷电区域的颗粒赋予荷电量，位于阴极区域的带正电，位于阳极区域的带负电；3)根据O’Rourke模型的选取条件选择颗粒碰撞对，如颗粒在设定的凝并功能区内进行下一步，否则重新选择颗粒对；4)判断两颗粒的荷电极性，如果两个颗粒的荷电极性相反或只有某一颗粒不带电则认为该颗粒对有碰撞的可能，进行下一步判断，反之进行步骤3)重新选择新的颗粒碰撞对；5)计算计算两颗粒间距Dnm，如果该距离不大于D×k，其中D为两个颗粒的半径和，k的取值范围为1～2，则认为颗粒凝并，直接跳至步骤7)，反之则进行下一步判断；6)计算两颗粒在时间迭代步内的两颗粒间距Dnm中最短距离Dmin，如Dmin≤D×k，则认为两颗粒发生碰撞凝并，反之进行步骤3)重新选择新的颗粒碰撞对；7)对两颗粒进行合并，并计算合并后颗粒的相关参数，从流场中移除两个原颗粒；8)对所有颗粒碰撞对计算判断完成后进行下一个时间步的计算，然后跳至步骤3)直至所有时间步计算完成；9)完成模拟计算，输出结果。2.如权利要求1所述的用于判断荷电颗粒碰撞凝并的方法，其特征在于，在对颗粒赋予荷电量时，荷电量按下式进行计算： q = 3 ϵϵ 0 d 2 E 0 ϵ + 2 · 1 1 + 4 ϵ 0 N 0 e k t + 2 πϵ 0 d k T e l n ( 1 + d u ‾ e 2 t 8 ϵ 0 k T ) ]]>式中，等号右侧第一项为电场荷电量，第二项为扩散荷电量，q为粒子的电场荷电电量，C；ε0为真空介电常数；ε为粒子的相对介电常数；d为粒子直径，m；E0为粒子所在位置的电场强度，V/m；N0为离子浓度，个/m3；e为单位电荷电量；k为波尔兹曼常数；t为粒子进入电场时间，s；T为气体绝对温度，K；为气体离子的平均热运动速度，m/s。3.如权利要求2所述的用于判断荷电颗粒碰撞凝并的方法，其特征在于，对于粒径大于1μm的以电场荷电为主，粒径小于0.4μm的以扩散荷电为主...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉海，何剑，徐国胜，
申请(专利权)人：西安宇清环境工程科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61