CN103157554B - 一种控制荷电凝并体生长的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种控制荷电凝并体生长的方法，包括：从至少两个角度对荷电凝并体同时进行拍摄，分别得到各个角度荷电凝并体的图像；采用分形维数函数对荷电凝并体的各个角度图像进行三维分析，得到荷电凝并体的分形维数；依据分形维数与预设的第一分析规则，判断荷电凝并体是否满足体积要求；如果否，依据分形维数和预设的第二分析规则进行分析，并依据分析结果对凝并体所在的电场进行调节，使凝并体继续增长；如果是，荷电凝并体的生长过程结束。通过采用三维方式对荷电凝并体进行分析，并依据分析结果对该凝并体所在电场进行调节，进而控制该荷电凝并体的生长，最终得到较大而且牢固的满足体积要求的凝并体。

Description

一种控制荷电凝并体生长的方法和装置

技术领域

本申请属于环保除尘领域，尤其涉及一种控制荷电凝并体生长的方法和装置。

背景技术

工业生产过程中，产生大量的人体可吸入(粉尘粒径小于10微米)对人体健康产生极大危害的粉尘，对人类生命健康问题构成了威胁。

可吸入的粉尘中PM(ParticulateMatter，大气中的固体或液体颗粒状物质)2.5是可入肺颗粒物，其粒径小，但是富含大量的有毒、有害物质且在大气中停留的时间长、输送距离远，因此对人体健康的危害更大。因此全球都在加大力度致力于可入肺颗粒物PM2.5的排放标准。

当前对PM2.5的收集一般采用粉尘凝并增大的方式，其原理是把细小粉尘电凝并成较大的粉尘颗粒(又称凝并体)，增大的粉尘颗粒再由静电除尘装置收集。

在进行凝并的过程中，为了得到较大且牢固的凝并体，需要对凝并过程进行分析，进而调整各项影响因素得到符合要求的凝并体。现有技术中，一般采用二维图表方式对凝并过程进行分析，但是PM2.5凝并体是一种介于二维和三维之间的非欧几何体，由于传统的二维方式的局限性，在分析检测过程中会无法对PM2.5的凝并体中的一些信息进行分析，最后得到的分析结果会有较大的偏差，进而无法得到最佳(或最大)的凝并体提供给后续的静电除尘装置。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种控制荷电凝并体生长的方法和装置，通过采用三维建模方式对荷电凝并体进行分析，并依据分析结果对该凝并体的生长进行控制，最终得到较大而且牢固的凝并体。

一种控制荷电凝并体生长的方法，包括：

从至少两个角度对荷电凝并体同时进行拍摄，分别得到各个角度所述荷电凝并体的图像；

采用分形维数函数对所述荷电凝并体的各个角度图像进行三维分析，得到所述荷电凝并体的分形维数；

依据所述分形维数与预设的第一分析规则，判断所述荷电凝并体是否满足体积要求；

如果否，依据所述分形维数和预设的第二分析规则进行分析，并依据所述分析结果对凝并体所在的电场进行调节，使所述凝并体继续增长；

如果是，荷电凝并体的生长过程结束。

上述的方法，优选的，依据所述分形维数和预设的第二分析规则进行分析，并依据所述分析结果对凝并体所在的电场进行调节包括：

依据所述分形维数计算所述荷电凝并体的黏结力，判断所述黏结力与电场中的湍流破碎力的大小；

当所述黏结力小于所述湍流破碎力时，对所述交变电场进行调节。

上述的方法，优选的，对所述交变电场进行调节包括：调节交变电场的频率和/或强度。

上述的方法，优选的，所述电场中的湍流破碎力包括：处于惯性区的湍流破碎力和处于黏性区的湍流破碎力。

上述的方法，优选的，所述采用分形维数函数对所述荷电凝并体的各个角度图像进行三维分析，得到所述荷电凝并体的分形维数包括：

采用分形幂率函数式进行计算：N＝Kf(Rf/df)Df，其中，Rf为回转半径，df为主粒子粒径，Kf为分形系数，Df为分形维数；

将上式两边去对数，并采用改进的回转半径法计算分形维数，构建分形维数函数，建立双对数坐标，得到lnR(N)＝1/DlnN+C；以lnR(N)为纵坐标，lnN为横坐标，其斜率是1/D，C表示凝并体初始时的分形性，得到分形维数；其中，所述C与构成所述凝并体的粒子串相关。

上述的方法，优选的，还包括：

对所述荷电凝并体的各个角度图像进行合成，得到荷电凝并体的三维动画成像。

一种控制荷电凝并体生长的装置，包括：

摄像设备，用于从至少两个角度对荷电凝并体同时进行拍摄，分别得到各个角度所述荷电凝并体的图像；

分形维数计算器，用于采用分形维数函数对所述荷电凝并体的各个角度图像进行三维分析，得到所述荷电凝并体的分形维数；

生长进度分析器，用于依据所述荷电凝并体的分形维数与预设的第一分析规则，判断所述荷电凝并体是否满足体积要求；

电场调节器，用于依据所述分形维数和预设的第二分析规则进行分析，并依据所述分析结果对凝并体所在的电场进行调节，使所述凝并体继续增长。

上述的装置，优选的，还包括：

动画成像设备，用于对所述荷电凝并体的各个角度图像进行合成，得到荷电凝并体的三维动画成像。

本申请提供了一种控制荷电凝并体生长的方法，包括：从至少两个角度对荷电凝并体同时进行拍摄，分别得到各个角度所述荷电凝并体的图像；采用分形维数函数对所述荷电凝并体的各个角度图像进行三维分析，得到所述荷电凝并体的分形维数；依据所述分形维数与预设的第一分析规则，判断所述荷电凝并体是否满足体积要求；如果否，依据所述分形维数和预设的第二分析规则进行分析，并依据所述分析结果对凝并体所在的电场进行调节，使所述凝并体继续增长；如果是，荷电凝并体的生长过程结束。通过采用三维方式对荷电凝并体进行分析，并依据分析结果对该凝并体所在电场进行调节，进而控制该荷电凝并体的生长，最终得到较大而且牢固的满足体积要求的凝并体。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是凝并体生长过程的示意图；

图2是本申请提供的一种控制荷电凝并体生长的方法实施例1的流程图；

图3是本申请提供的一种控制荷电凝并体生长的方法实施例1中步骤S104的具体流程图；

图4是本申请提供的一种控制荷电凝并体生长的方法实施例2的流程图；

图5是本申请提供的一种控制荷电凝并体生长的装置实施例1的结构示意图；

图6是本申请提供的一种控制荷电凝并体生长的装置实施例2的结构示意图；

图7是是本申请提供的一种控制荷电凝并体生长的方法和装置在实际实施中的应用场景。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

随着荷电粉尘的凝并，在交变电场中的颗粒物的粒径发生变化，单位体积内的粉尘浓度也因为凝并分形而急剧减少。此时在交变电场中的颗粒物为由各个荷电粉尘碰撞得到的粒子串，各个游离的小凝并体与粒子串通过碰撞，生长得到凝并体。

参见图1所示的凝并体生长过程的示意图，图中A表示较小的凝并体，B表示较大的凝并体，C表示凝并体颗粒。较小的凝并体相互碰撞凝并得到较大的凝并体，最终得到体积满足要求的凝并体颗粒。

对小凝并体生长过程进行控制就能够得到较大而且牢固的凝并体颗粒，该凝并体颗粒在后续的静电除尘装置更加方便清除。

PM2.5颗粒凝并体的形成和生长可通过分形维数来进行描述和分析，按照分形的定义，物质的质量M与其特征长度dp之间的具有如下关系：

$M\∝d_p^{D_f}---\left(1\right)$

其中，M为凝并体的质量，dp为颗粒的粒径，D_f为分形维数。

对于凝并体，以其当量直径dp(与平面投影面积相同圆的直径)作为特征长度。对于三维欧几里得体系，D_f＝3；而对于非欧几何体系，D_f＜3。具有D_f＜3的性质的物体就是分形体，D_f称为分形维数。

根据质量和密度的关系，在质量一定的情况下，随着凝并体的体积增大，凝并体的密度逐渐减小，而凝并体密度ρ与粒径dp的Kp次方成反比的普遍规律：

则式(1)可写为：

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\βd}}_P^{-Kp}---\left(2\right)$

$M={\mathrm{\ρV}}_P={\mathrm{\α\ρd}}_P^3---\left(3\right)$

其中，V_P为物体的体积，α为几何因子，对于球体α＝4π/3

$M={\mathrm{\α\βd}}_P^{3-K_P}\∝d_P^{3-K_P}---\left(4\right)$

由(1)和(4)可得到，凝并体的分形维数为：

D_f＝3-K_P(5)

由(5)可知，只要K_P＞0，凝并体的分形维数就小于3(对于三维体系)，呈现出分形的特征，这是由于凝并体的生长过程是一个随机碰撞的过程，具有典型的分型特征。

参见图2，示出了本申请提供的一种控制荷电凝并体生长的方法实施例1的流程图，包括：

步骤S101：从至少两个角度对荷电凝并体同时进行拍摄，分别得到各个角度所述荷电凝并体的图像；

由于粒子对光的散射原理，对荷电凝并体进行拍摄，该拍摄的图像体现了该荷电凝并体拍摄面的外形。

为得到比较全面的荷电凝并体的外形图像，可采用多角度拍摄，至少为两个角度，如前后两个角度，由于荷电凝并体的运动变化较快，需要采用同时拍摄。

步骤S102：采用分形维数函数对所述荷电凝并体的各个角度图像进行三维分析，得到所述荷电凝并体的分形维数；

所述分形维数表示所述凝并体的形体特征信息和密度特征信息；

分形维数能够定量的描述该荷电粒子(粉尘以及较小的凝并体等)的外形轮廓呈现的不光滑程度，做如下假设：荷电粒子是球形的；球形主粒子具有恒定的直径；主粒子不重合，且呈现点接触排列；粒子的折射率相同。

采用分形幂率函数式进行计算：N＝Kf(Rf/df)Df，其中，Rf为回转半径，df为主粒子粒径，Kf为分形系数，Df为分形维数；

将上式两边去对数，并采用改进的回转半径法计算分形维数，构建分形维数函数，建立双对数坐标，得到lnR(N)＝1/DlnN+C；以lnR(N)为纵坐标，lnN为横坐标，其斜率是1/D，C表示凝并体初始时的分形性，得到分形维数；其中，所述C与构成所述凝并体的粒子串相关。

由于C的取值应该和凝并过程初期的粒子串有关，所以不同的粒子串就应该有不同的C值，这样对于分形维数的数学建模就更加的符合实际的情况。分形维数定量的描述粉尘凝并的难易程度，分形维数越大，凝并体结构越不规则，向空间扩展生长的能力越强，粉尘越容易凝并，得到的凝并体体积越大。

具体应用中，凝并体的分形维数Df受到凝并过程中下述7个物理量的影响：电场的尺寸M(包括长度尺寸L、宽度尺寸B、高度尺寸H)，空间电流体流速u，电流体密度ρ，电流体黏度v，粒子平均粒径d，原电场的粉尘颗粒量N和能量损失h等。由于凝并装置在初期已经设置完成，因此电场尺寸也是固定的，该电场的尺寸M为固定值，则凝并体的分形维数只受到剩余的6个物理量的影响。

步骤S103：依据所述荷电凝并体的分形维数与预设的第一分析规则，判断所述荷电凝并体是否满足体积要求；如果否，转至步骤S104；如果是，转至步骤S105；

由于所述分形维数表示所述凝并体的形体特征信息和密度特征信息，根据该凝并体的形体特征信息，如凝并体的形状系数、凝聚系数以及特征长度等。

PM2.5颗粒凝并体的体积通常有两种定义：包裹体积(en-casedvolume)和固有体积(solidvolume)。包裹体积指凝并体整体边界包含的所有空间，固有体积是指凝并体内所有初始颗粒所占有的空间体积。

对于分形体系，PM2.5凝并体的包裹体积可表示为：

V_e＝αL³(6)

分形体系下PM2.5颗粒凝并体的密度推求：

设组成凝并体的初始颗粒的特征长度L₀，形状系数为a₀，密度为ρ₀，则初始颗粒的质量为：

$m_0={\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\α}}_0{L_0}^3---\left(7\right)$

设PM2.5颗粒凝并体的形状系数为α，凝聚系数为β，特征长度为L，对于分形体系(而非三维欧几里德体系)，PM2.5颗粒凝并体内含有初始颗粒数N可表示为：

$N={(\mathrm{\β}\mathrm{\α}/{\mathrm{\α}}_0)}^{D_f/3}{(L/L_0)}^{D_f}={\mathrm{\ψ}}^{D_f/3}{(L/L_0)}^{D_f}---\left(8\right)$

式中，令ψ＝βα/α₀，

则PM2.5凝并体的质量为：

$m={\mathrm{Nm}}_0={\mathrm{\ρ\α\ψ}}^{D_f/3}{L_0}^{3-D}{L}^{D_f}---\left(9\right)$

PM2.5凝并体的密度定义为单位包裹体积内所有PM2.5凝并体的质量，即

ρ＝m/V_e(10)

由(6)(9)、(10)可知，分形体系下，PM2.5凝并体的密度为

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_0({\mathrm{\α}}_0/\mathrm{\α}){\mathrm{\ψ}}^{D_f/3}{(L_0/L)}^{3-D_f}---\left(11\right)$

凝并体的强度分析：

凝并体的强度反应分形维数与动力学指标的关系，它决定着形成的凝并体颗粒的最大尺寸。在固定的电场条件下，凝并体能够达到的最大尺寸由凝并体的黏结力和电流体对凝并体的湍流破碎力这两个相反的力决定。

预先能够根据现有电场的数据信息，可计算得到在该电场中能够得到的凝并体的标准体积和强度。

比对当前凝并体的体积与标准的体积，当不满足要求时，需要凝并体继续生长，进入步骤S104，否则，该凝并体生长达到体积要求，可以进入沉降步骤，进入步骤S105。

步骤S104：依据所述分形维数和预设的第二分析规则进行分析，并依据所述分析结果对凝并体所在的电场进行调节，使所述凝并体继续增长；

当当前凝并体的体积不满足要求预设的标准体积时，需要凝并体继续生长，根据该凝并体的生长情况对凝并体所在的电场进行调节，使该凝并体继续生长。

参见图3，示出了本申请提供的一种控制荷电凝并体生长的方法实施例1步骤S104的具体流程图，步骤S104包括：

步骤S1041：依据所述分形维数计算所述荷电凝并体的黏结力，判断所述黏结力与电场中的湍流破碎力的大小；

荷电凝并体的黏结力的计算：

黏结力B(g·cm/s²)与PM2.5凝并体的净截面积A_n(cm²)成正比：

B∝A_n(12)

对于直径为dp(cm)的PM2.5凝并体，设其空隙率为ε，其净体积V_n表示为：

$V_n\∝d_P^3(1-\mathrm{\ϵ})---\left(13\right)$

可得凝并体的净截面积为：

$A_n\∝d_P^2{(1-\mathrm{\ϵ})}^{\frac{2}{3}}---\left(14\right)$

由(12)(14)可得： $B\∝d_P^2{(1-\mathrm{\ϵ})}^{\frac{2}{3}}---\left(15\right)$

另外，由凝并体的物料平衡可以得到：

ρ_wV_ε+ρ₀(1-ε)V＝ρ_SV(16)

其中，V、V_ε分别为凝并体和凝并体中电场所占的体积(m³)；ρ_w、ρ₀、ρ_S分别为电场、电场初始颗粒、凝并体的密度(g/cm³)。

凝并体的有效密度为：ρ_e＝ρ_S-ρ_w(17)

由传统方式计算得到的密度函数为：

${\mathrm{\ρ}}_e=\frac{\mathrm{\α}}{d_P^{K_P}}---\left(18\right)$

其中，系数α、K_P与凝并体特性有关。

所以，得到：

${\mathrm{\ρ}}_e={\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\ρ}}_e=\frac{\mathrm{\α}}{d_P^{K_P}}---\left(19\right)$

由将式(19)代入(16)中，并整理得到：

$1-\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\α}}{d_P^{K_P}({\mathrm{\ρ}}_0-{\mathrm{\ρ}}_W)}---\left(20\right)$

在同样的凝并条件下，假设ρ₀-ρ_w、K_P、α均为常数，将式(20)代入(15)，可将凝并体的黏结力B表示为：

$B\∝d_P^{2\[1-\frac{K_P}{3}\]}---\left(21\right)$

式(21)结合分形维数表达式D_f＝3-K_P可得

电流体对凝并体的湍流破碎力的计算：

微漩涡作用在凝并体上会产生使凝并体破碎的湍流破碎力，作用在直径为dp的凝并体两相对侧面的单位面积上的动力差f为：

$\mathrm{\Δ}f\∝{\mathrm{\ρ}}_W\frac{{\left|\stackrel{\‾}{u_1-u_2}\right|}^2}{2}---\left(23\right)$

u₁、u₂为距离为dp的两点上电流体的流动速度；表示的是上述两个速度之差的平均绝度值；

令 $u=\left|\stackrel{\‾}{u_1-u_2}\right|,$ 则

$k_{\mathrm{\σ}}\∝G^{-2}{d}_P^{\frac{2D_f}{3}-4}---\left(24\right)$

在Kolmogoroff的局部同性湍流假设条件下，u在惯性区及黏性区的表达式如下：

惯性区： $u=\mathrm{\α}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{d}_P}{{\mathrm{\ρ}}_W}\right)}^{\frac{1}{3}}---\left(25\right)$

黏性区： $u=\mathrm{\β}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\μ}}}{d}_P---\left(26\right)$

式(25)(26)中，μ为动力粘滞系数(g/cm·s)；ε₀为微涡旋的特征能耗值，即单位质量电流体的输入功率(W/Kg)；α、β为常数。

将式(25)和式(26)代入式(23)，并乘以凝并体表面积，可得到两区的湍流破碎力的表达式如下

惯性区： $\mathrm{\Δ}F\∝{\mathrm{\ρ}}_W{\mathrm{\ϵ}}^{{\frac{2}{3}}_0}{d}_P^{\frac{8}{3}}---\left(27\right)$

黏性区: $\mathrm{\Δ}F\∝{\mathrm{\ρ}}_W\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\μ}}\right)d_P^4---\left(28\right)$

实际实施中，PM2.5凝并体的破碎主要发生在黏性区，其临界条件是黏结力B与破碎力F相等。

PM2.5凝并体的强度一般用k表示，k可描述为B与F的函数，如下式：

$k_{\mathrm{\σ}}\∝\frac{B}{\mathrm{\Δ}F}---\left(29\right)$

结合式(21)和(29)可得：

$k_{\mathrm{\σ}}\∝{\mathrm{\ϵ}}_0^{-1}{d}_P^{\frac{2D_f}{3}-4}---\left(30\right)$

由能耗求取G(速度梯度)值的公式可知，

ε₀∝G²(31)

结合式(30)，可得：

D_f＝Kf₄(GT,F_r)(32)

由上式可知，PM2.5凝并体的强度与微涡旋的特征能耗成反比，同时也是颗粒分形维数的函数，上式进一步表明，PM2.5凝并体的强度k_σ与电流体的G值的平方成反比。

可计算得到该电流体对凝并体的湍流破碎力的大小。

凝并体正常凝并生长过程中，为了使组成凝并体的各个粒子之间能够固定黏结，凝并体的黏结力应不小于电流体对凝并体的湍流破碎力。

比较该湍流破碎力F与凝并体的黏结力B的大小，当湍流破碎力F不大于凝并体的黏结力B时，凝并体正常生长，否则需要对影响凝并体的黏结力和电流体对凝并体的湍流破碎力的因素进行调节。

步骤S1042：当所述黏结力小于所述湍流破碎力时，对所述交变电场进行调节。

当湍流破碎力F小于凝并体的黏结力B时，需要对影响凝并体的黏结力和电流体对凝并体的湍流破碎力的因素进行调节。

基于PM2.5凝并体分形维数控制的凝并体动力学指标的数学分析：

$k_{\mathrm{\σ}}\∝G^{-2}{d}_P^{\frac{2D_f}{3}-4}---\left(33\right)$

式(30)表明，凝并体的强度与微涡旋的特征能耗成反比，同时也是凝并体分形维数的函数。

式(33)进一步表明，凝并体的强度k_σ与电流体的G值的平方成反比。

采用的算法分析如下：

当外加电场、荷电凝并体的性能均相同的条件下，PM2.5粉尘凝并过程的主要影响因素为凝并电场内空间尺度、空间粉尘电流体的流速、电流体密度、电流体黏度、原电场特性能量消耗，即影响凝并过程的因素为：凝并电场的电场长度尺寸L、宽度尺寸B、高度尺寸H，空间粉尘电流体流速u，电流体密度ρ，电流体黏度v，粒子平均粒径d，原电场的粉尘颗粒量N和能量损失h等。凝并体的分形维数Df受到凝并过程中下述9个物理量的影响，用下式表示：

f(D_f,L,B,H,u,ρ,v,d,N,h)＝0(34)

在有关量中选取L、u作为基本量，量纲均采用国际标准：

L＝[L]

u＝[L][T]^-1

ρ＝[L]^-3[M]

其行列式为：

$\left|\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 1& -1& 0\\ -3& 0& 1\end{array}\right|\≠0$

所以，这个3个物理量的量纲独立，不能互相倒出，符合基本量选用条件。

基本量的个数为3个，则π为10-3＝7个，用基本量表示为：

π， ${\mathrm{\π}}_2=\frac{B}{L^{a_2}{u}^{b_2}{\mathrm{\ρ}}^{c_2}},$ ${\mathrm{\π}}_3=\frac{H}{L^{a_3}{u}^{b_3}{\mathrm{\ρ}}^{c_3}},$ ${\mathrm{\π}}_4=\frac{\mathrm{\γ}}{L^{a_4}{u}^{b_4}{\mathrm{\ρ}}^{c_4}},$

${\mathrm{\π}}_5=\frac{d}{L^{a_5}{u}^{b_5}{\mathrm{\ρ}}^{c_5}},$ ${\mathrm{\π}}_6=\frac{N}{L^{a_6}{u}^{b_6}{\mathrm{\ρ}}^{c_6}},$ ${\mathrm{\π}}_7=\frac{h}{L^{a_7}{u}^{b_7}{\mathrm{\ρ}}^{c_7}};$

采用量纲和谐原理确定各项的基本量指数，计算得到：

π₁＝D_f， ${\mathrm{\π}}_2=\frac{B}{L},$ ${\mathrm{\π}}_3=\frac{H}{L},$ ${\mathrm{\π}}_4=\frac{v}{uL},$ ${\mathrm{\π}}_5=\frac{d}{L},$ π₆＝NL³， ${\mathrm{\π}}_7=\frac{h}{L}=\frac{u^2}{2gL};$

将以上计算结果带入式(34)，可得：

$f_1(D_f,\frac{B}{L},\frac{H}{L},\frac{v}{uL},\frac{d}{L},{\mathrm{NL}}^3,\frac{u_2}{gL})=0$

$\begin{array}{c}{D}_f=f_2(\frac{B}{L},\frac{H}{L},\frac{v}{uL},\frac{d}{L},{\mathrm{NL}}^3,\frac{u_2}{gL})=\\ f_2(\frac{B}{L},\frac{H}{L}\frac{1}{,\mathrm{Re}},\frac{d}{L},{\mathrm{NL}}^3,Fr)\end{array}$

$D_f=f_3(\mathrm{Re},Fr)\·{f_3}^{\′}(\frac{B}{L},\frac{H}{L},\frac{d}{L},{\mathrm{NL}}^3)$

令 $K={f_3}^{\′}(\frac{B}{L},\frac{H}{L},\frac{d}{L},{\mathrm{NL}}^3),$ 则

D_f＝K·f₃(Re,Fr)(35)

将以上计算结果带入式(34)，并且，在凝并过程中，以能耗计算G值的方法如下，可得：

$G=\sqrt{\frac{gh}{vT}}$

则有以下推导：

$G\·T=\sqrt{\frac{g\·u/2g}{vT}}\·T=\sqrt{\frac{u^{2}T}{2v}}=\sqrt{\frac{uL}{2v}}=\sqrt{\frac{\mathrm{Re}}{2}}---\left(36\right)$

变换可得：Re＝2G²·T²＝f(G·T)(37)

此处的GT是雷诺数Re的另一种表达形式，是表征碰撞能耗和碰撞持续时间的综合指标，与传统意义上分级控制的凝并体控制指标GT不同。

综合式(35)和(37)，可得D_f＝K·f₄(GT,Fr)(38)

因此，当参数K表征的外加电场的形式及原电场一旦确定，由PM2.5凝并体产生的凝并体的分形维数受另两个动力学综合指标的控制，即电场的能耗输入GT和剪切强度Fr。其中，K是反映电场的长宽比、长高比、电场单位体积内粒子(凝并体、粉尘等)数目和平均粒径的参数。而，在凝并设备的尺寸(凝并电场的尺寸)确定后，单位体积内的粒子数目和平均粒径是参数K的主要控制因素。

当原电场强度和外加电场发生变化时，会影响K值的范围，进而对PM2.5凝并体的分形维数产生影响。

根据式(38)，此时改变GT值及Fr，改变电场的能耗输入和剪切强度，从而对凝并体的分形维数进行控制。

由于电场的能耗输入和剪切强度是受到电场的强度和/或频率的影响，因此对电场的能耗输入和剪切强度的改变，通过对该交变电场的频率和/或强度进行调节实现。

使得电场的能耗输入和剪切强度达到使凝并体的分形维数适合，使所述凝并体继续增长。

具体应用中，凝并体的分形维数Df受到凝并过程中下述7个物理量的影响：电场的尺寸M(包括长度尺寸L、宽度尺寸B、高度尺寸H)，空间电流体流速u，电流体密度ρ，电流体黏度v，粒子平均粒径d，原电场的粉尘颗粒量N和能量损失h等。由于凝并装置在初期已经设置完成，因此电场尺寸也是固定的，该电场的尺寸M为固定值，则凝并体的分形维数只受到剩余的6个物理量的影响。

步骤S105：荷电凝并体的生长过程结束。

当前凝并体的体积满足要求预设的标准体积时，凝并体不必继续生长，其生长过程结束，得到较大而且牢固的满足体积要求的凝并体。

参见图4，示出了本申请提供的一种控制荷电凝并体生长的方法实施例2的流程图，在图2所示流程图的步骤S101后还包括：

步骤S106：对所述荷电凝并体的各个角度图像进行合成，得到荷电凝并体的三维动画成像。

在对荷电凝并体进行拍摄时，将拍摄得到的图像信息进行动画成像，展示当前的该荷电凝并体的生长情况。

在对荷电凝并体进行动画成像的过程中，该凝并体与其他粒子碰撞凝并生长的过程也被显示出来，在对荷电凝并体所处的交变电场的调整过程中，更加直观。

根据成像的图像，还可用于测量粒子串的尺寸，具体为：用鼠标捕捉屏幕像素，容易根据鼠标所在位置的像素坐标进行坐标变换(将屏幕坐标转换为粒子坐标)，从而取得凝并体上任意一点在整个电场坐标系中的坐标值，得到测量结果。

与上述的本申请提供的一种控制荷电凝并体生长的方法实施例相对应的，本申请还提供了一种控制荷电凝并体生长的装置实施例。

参见图5，示出了本申请提供的一种控制荷电凝并体生长的装置实施例1的结构示意图，所述装置包括：摄像设备101、分形维数计算器102、生长进度分析器103和电场调节器104；

其中，所述摄像设备101用于从至少两个角度对荷电凝并体同时进行拍摄，分别得到各个角度所述荷电凝并体的图像；

所述摄像设备101利用粒子对光的散射原理，对荷电凝并体进行拍摄，该拍摄的图像体现了该荷电凝并体拍摄面的外形。

为得到比较全面的荷电凝并体的外形图像，可采用多角度拍摄，至少为两个角度，如前后两个角度，由于荷电凝并体的运动变化较快，需要采用同时拍摄。

其中，所述分形维数计算器102用于采用分形维数函数对所述荷电凝并体的各个角度图像进行三维分析得到所述荷电凝并体的分形维数；

采用分形维数函数对所述荷电凝并体的各个角度图像进行三维分析，得到所述荷电凝并体的分形维数；

所述分形维数表示所述凝并体的形体特征信息和密度特征信息；

分形维数能够定量的描述该荷电粒子(粉尘以及较小的凝并体等)的外形轮廓呈现的不光滑程度，做如下假设：荷电粒子是球形的；球形主粒子具有恒定的直径；主粒子不重合，且呈现点接触排列；粒子的折射率相同。

采用分形幂率函数式进行计算：N＝Kf(Rf/df)Df，其中，Rf为回转半径，df为主粒子粒径，Kf为分形系数，Df为分形维数；

将上式两边去对数，并采用改进的回转半径法计算分形维数，构建分形维数函数，建立双对数坐标，得到lnR(N)＝1/DlnN+C；以lnR(N)为纵坐标，lnN为横坐标，其斜率是1/D，C表示凝并体初始时的分形性，得到分形维数；其中，所述C与构成所述凝并体的粒子串相关。

由于C的取值应该和凝并过程初期的粒子串有关，所以不同的粒子串就应该有不同的C值，这样对于分形维数的数学建模就更加的符合实际的情况。分形维数定量的描述粉尘凝并的难易程度，分形维数越大，凝并体结构越不规则，向空间扩展生长的能力越强，粉尘越容易凝并，得到的凝并体体积越大。

具体应用中，凝并体的分形维数Df受到凝并过程中下述7个物理量的影响：电场的尺寸M(包括长度尺寸L、宽度尺寸B、高度尺寸H)，空间电流体流速u，电流体密度ρ，电流体黏度v，粒子平均粒径d，原电场的粉尘颗粒量N和能量损失h等。由于凝并装置在初期已经设置完成，因此电场尺寸也是固定的，该电场的尺寸M为固定值，则凝并体的分形维数只受到剩余的6个物理量的影响。

其中，所述生长进度分析器103，用于依据所述荷电凝并体的分形维数与预设的第一分析规则，判断所述荷电凝并体是否满足体积要求；

由于所述分形维数表示所述凝并体的形体特征信息和密度特征信息，根据该凝并体的形体特征信息，如凝并体的形状系数、凝聚系数以及特征长度等。

PM2.5颗粒凝并体的体积通常有两种定义：覆盖体积和固有体积。包裹体积指凝并体整体边界包含的所有空间，固有体积是指凝并体内所有初始颗粒所占有的空间体积。

PM2.5的电中性颗粒相互靠近时，范德华力起作用使它们粘结或凝聚。这些颗粒的碰撞除了由于它们固有的布朗运动造成的颗粒接触外，还可以是由于外力(如由于颗粒间的速度梯度引起的剪切力或湍流脉动)作用而诱发的颗粒运动。为了使凝聚后的颗粒能被常规除尘器除去，保证凝并体的强度是一个重要的问题。

凝并体的强度反应分形维数与动力学指标的关系，它决定着形成的凝并体颗粒的最大尺寸。在固定的电场条件下，凝并体能够达到的最大尺寸由凝并体的黏结力和电流体对凝并体的湍流破碎力这两个相反的力决定。

预先能够根据现有电场的数据信息，可计算得到在该电场中能够得到的凝并体的标准体积和强度。

比对当前凝并体的体积与标准的体积，当不满足要求时，需要凝并体继续生长，触发电场调节器104，否则，该凝并体生长达到体积要求，可以进入沉降步骤。

其中，所述电场调节器104用于依据所述分形维数和预设的第二分析规则进行分析，并依据所述分析结果对凝并体所在的电场进行调节，使所述凝并体继续增长。

当前凝并体的体积不满足要求预设的标准体积时，需要凝并体继续生长，根据该凝并体的生长情况对凝并体所在的电场进行调节，使该凝并体继续生长。

凝并体正常凝并生长过程中，为了使组成凝并体的各个粒子之间能够固定黏结，凝并体的黏结力应不小于电流体对凝并体的湍流破碎力。

比较该湍流破碎力F与凝并体的黏结力B的大小，当湍流破碎力F不大于凝并体的黏结力B时，凝并体正常生长，否则需要对影响凝并体的黏结力和电流体对凝并体的湍流破碎力的因素进行调节。

当参数K表征的外加电场的形式及原电场一旦确定，由PM2.5凝并体产生的凝并体的分形维数受另两个动力学综合指标的控制，即凝并电场的能耗输入GT和剪切强度Fr。其中，K是反映凝并电场的长宽比、长高比、电场单位体积内粒子(凝并体、粉尘等)数目和平均粒径的参数。而在凝并设备的尺寸(电场的尺寸)确定后，单位体积内的粒子数目和平均粒径是参数K的主要控制因素。

当原电场强度和外加电场发生变化时，会影响K值的范围，进而对PM2.5凝并体的分形维数产生影响。

由于电场的能耗输入和剪切强度是受到电场的强度和/或频率的影响，因此对电场的能耗输入和剪切强度的改变，通过对该交变电场的频率和/或强度进调节实现。

使得电场的能耗输入和剪切强度达到使凝并体的分形维数适合，使所述凝并体继续增长。

参见图6，示出了本申请提供的一种控制荷电凝并体生长的装置实施例2的结构示意图，图5所述的装置结构中，还包括：动画成像设备105；

所述动画成像设备105用于对所述荷电凝并体的各个角度图像进行合成，得到荷电凝并体的三维动画成像。

在摄像设备101对荷电凝并体进行拍摄时，动画成像设备105将拍摄得到的图像信息进行动画成像，展示当前的该荷电凝并体的生长情况。

在对荷电凝并体进行动画成像的过程中，该凝并体与其他粒子碰撞凝并生长的过程也被显示出来，在对荷电凝并体所处的交变电场的调整过程中，更加直观。

根据成像的图像，还可用于测量粒子串的尺寸，具体为：用鼠标捕捉屏幕像素，容易根据鼠标所在位置的像素坐标进行坐标变换(将屏幕坐标转换为粒子坐标)，从而取得凝并体上任意一点在整个电场坐标系中的坐标值，得到测量结果。

参见图7，示出了本申请在实际实施中的应用场景。

PM2.5荷电粒子进入交流电场，在交流电场的作用下，正负荷电粒子随交变的场强开始往返运动，荷电粒子之间相互吸引、发生碰撞，凝并到一起得到荷电凝并体，荷电凝并体继续与其他粒子碰撞凝并在一起，凝并体逐渐长大，最终得到满足体积要求的凝并体。

摄像设备101设置于交流电场附近，在凝并体生长过程中，从至少两个角度对荷电凝并体同时进行拍摄，分别得到各个角度所述荷电凝并体的图像；

分形维数计算器102与摄像设备101相连，采用分形维数函数对所述荷电凝并体的各个角度图像进行三维分析，得到所述荷电凝并体的分形维数；

生长进度分析器103与分形维数计算器102相连，依据所述荷电凝并体的分形维数与预设的第一分析规则，判断所述荷电凝并体是否满足体积要求；

电场调节器104与生长进度分析器103相连，当当前凝并体的体积不满足要求预设的标准体积时，电场调节器104依据所述分形维数和预设的第二分析规则进行分析，并依据所述分析结果对凝并体所在的电场进行调节，使所述凝并体继续增长。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种控制荷电凝并体生长的方法，其特征在于，包括：

从至少两个角度对荷电凝并体同时进行拍摄，分别得到各个角度所述荷电凝并体的图像；

采用分形维数函数对所述荷电凝并体的各个角度图像进行三维分析，得到所述荷电凝并体的分形维数；

依据所述分形维数与预设的第一分析规则，判断所述荷电凝并体是否满足体积要求；

如果否，依据所述分形维数和预设的第二分析规则进行分析，并依据所述分析结果对凝并体所在的电场进行调节，使所述凝并体继续增长；

如果是，荷电凝并体的生长过程结束；

其中，所述分形维数表示所述凝并体的形体特征信息和密度特征信息；

所述依据所述分形维数与预设的第一分析规则，判断所述荷电凝并体是否满足体积要求包括：比对当前凝并体的体积与标准的体积，判断所述荷电凝并体是否满足体积要求；

所述依据所述分形维数和预设的第二分析规则进行分析，并依据所述分析结果对凝并体所在的电场进行调节包括：

依据所述分形维数计算所述荷电凝并体的黏结力，判断所述黏结力与电场中的湍流破碎力的大小；

当所述黏结力小于所述湍流破碎力时，对交变电场进行调节。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述交变电场进行调节包括：调节交变电场的频率和/或强度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电场中的湍流破碎力包括：处于惯性区的湍流破碎力和处于黏性区的湍流破碎力。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用分形维数函数对所述荷电凝并体的各个角度图像进行三维分析，得到所述荷电凝并体的分形维数包括：

采用分形幂率函数式进行计算：N＝Kf(Rf/df)Df，其中，Rf为回转半径，df为主粒子粒径，Kf为分形系数，Df为分形维数；

将上式两边取对数，并采用改进的回转半径法计算分形维数，构建分形维数函数，建立双对数坐标，得到lnR(N)＝1/DlnN+C；以lnR(N)为纵坐标，lnN为横坐标，其斜率是1/D，C表示凝并体初始时的分形性，得到分形维数；其中，所述C的设定值与构成所述凝并体的粒子串相关。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

对所述荷电凝并体的各个角度图像进行合成，得到荷电凝并体的三维动画成像。

6.一种控制荷电凝并体生长的装置，其特征在于，包括：

摄像设备，用于从至少两个角度对荷电凝并体同时进行拍摄，分别得到各个角度所述荷电凝并体的图像；

分形维数计算器，用于采用分形维数函数对所述荷电凝并体的各个角度图像进行三维分析，得到所述荷电凝并体的分形维数；

生长进度分析器，用于依据所述荷电凝并体的分形维数与预设的第一分析规则，判断所述荷电凝并体是否满足体积要求；

电场调节器，用于依据所述分形维数和预设的第二分析规则进行分析，并依据所述分析结果对凝并体所在的凝并电场进行调节，使所述凝并体继续增长；

所述生长进度分析器用于依据所述分形维数与预设的第一分析规则，判断所述荷电凝并体是否满足体积要求包括：所述生长进度分析器具体用于比对当前凝并体的体积与标准的体积，判断所述荷电凝并体是否满足体积要求；

所述电场调节器用于依据所述分形维数和预设的第二分析规则进行分析，并依据所述分析结果对凝并体所在的电场进行调节包括：所述电场调节器依据所述分形维数计算所述荷电凝并体的黏结力，判断所述黏结力与电场中的湍流破碎力的大小；当所述黏结力小于所述湍流破碎力时，对交变电场进行调节。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

动画成像设备，用于对所述荷电凝并体的各个角度图像进行合成，得到荷电凝并体的三维动画成像。