CN107644132A - 一种用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法 - Google Patents

一种用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法，包括以下步骤：建立静电除尘器的全尺寸几何模型，模拟静电力作用的电压分布；将步骤1中所述的电压分布的二维/三维的结果以文件的形式导出，且输出为数据流；将所述数据流导入到CFD仿真软件中，得到整个除尘通道的电压值分布；通过编写程序将步骤3得到的电压值分布转换为电场力分布；计算全尺寸几何模型中粉尘粒子的受力情况，包括重力，曳力和电场力；根据计算流体力学方法，根据粉尘粒子的数量和运动轨迹终结位置来计算带电除尘器的除尘效率。本发明将电场力分布的模拟引入到电场除尘效率模拟中，从而能够准确模拟带电除尘器除尘效率的计算方法。

Description

一种用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法
技术领域
本发明涉及一种用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法。
背景技术
目前对电除尘器的仿真中，一般都是根据计算流体力学原理，自行编程或者利用成熟的商业软件仅对流场进行模拟，通过对电除尘器内部空气动力场的模拟，得出气流分布方案。这种方法应用较多、较成熟。另外更深入仿真的还有利用多相流/离散项模型，在电除尘器内部空气动力场中，对气固两相进行仿真，同时考虑重力的影响，通过对不同粒径的固相粉尘颗粒在烟气中的运动轨迹的计算，得出粉尘颗粒的去除效率。而带电除尘器中除尘原理为：(1)施加高电压产生强场使气体电离，即产生电晕放电；(2)悬浮粒子荷电；(3)荷电尘粒在电场力作用下向电极运行；(4)荷电尘粒在电场中被捕集；(5)振打清灰。由此可见，粉尘被去除的关键是电场力的作用，因此，带电除尘器除尘效率的模拟中，如果不能对电场力进行模拟，这样的仿真结果是不准确的，不能为工程应用提供准确依据。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法，为带电除尘器提供一种能够准确模拟粉尘粒子在电场力、重力、惯性力、曳力共同作用下的运动过程，得出除尘效率的仿真方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法，包括以下步骤：
步骤1，建立静电除尘器的全尺寸几何模型，模拟静电力作用的电压分布；
步骤2，将步骤1中所述的电压分布的二维/三维的结果以文件的形式导出，且输出为数据流；
步骤3，将所述数据流导入到CFD仿真软件中，得到整个除尘通道的电压值分布；
步骤4，通过编写程序将步骤3得到的电压值分布转换为电场力分布；
步骤5，计算全尺寸几何模型中粉尘粒子的受力情况，包括重力，曳力和电场力；
步骤6，根据计算流体力学方法，根据粉尘粒子的数量和运动轨迹终结位置来计算带电除尘器的除尘效率。
进一步的，步骤1中，所述全尺寸几何模型为二维/三维模型，且所述全尺寸几何模型包含阳极线和阴极；将所述全尺寸几何模型划分网格，将网格文件导入电场模拟程序中，根据电晕放电公式计算出二维/三维空间中的电压分布。
进一步的，所述电晕放电公式考虑阴极线半径、阴极线的粗糙系数、静电除尘器结构和空气相对密度。
进一步的，步骤2中，将静电除尘器单个除尘通道内电压分布以固定的格式输出为一个数据流，输出格式为：网格X坐标，网格Y坐标，网格Z坐标，网格中心点电压值；通过所述数据流表征整个除尘通道内的电压分布。
进一步的，步骤3中，在CFD仿真软件中，划分与所述全尺寸几何模型相同的网格，导入所述数据流，在CFD仿真软件中将每个网格中心点的电压值表征出来，得到整个除尘通道的电压值分布。
进一步的，步骤4包括：
步骤4.1，将步骤3中的电压值分布作为CFD仿真软件中的标量值，通过求得所述标量值的梯度得到静电除尘器内电场强度E的分布；
步骤4.2，由电场强度E的分布转换为电场力的分布，其中电场力F的计算公式为：
F＝q·E
式中，E为电场强度，q为粉尘粒子的荷电量；
粉尘粒子的荷电量q按下式计算：
式中，ε0为真空介电常数，dp为粉尘粒子粒径，E为电场强度，εp为粉尘粒子的相对介电常数。
进一步的，步骤5中重力G、曳力FD和电场力F的计算方法分别如下：
式中，gx为重力加速度，ρp为粉尘粒子密度，ρ为烟气密度；
式中，μ为烟气粘度，CD为曳力系数，ρp为粉尘粒子密度，dp为粉尘粒子粒径，Re为相对雷诺数；
其中，
up为粉尘粒子速度，u为烟气速度，ρ为烟气密度，dp为粉尘粒子粒径；
F＝q·E
式中，E为电场强度，q为粉尘粒子的荷电量。
进一步的，步骤6中：根据多相流/离散相模型，对粉尘粒子的边界条件进行设定，根据粉尘粒子的粒度分布对粉尘粒子直径进行输入；假设粒子运动到极板上就被捕集，运动轨迹结束；根据初始粉尘粒子总数和出口粉尘粒子总数，计算除尘效率，同时计算出不同粒径粉尘粒子的分级除尘效率。
本发明的有益效果为：
本发明将电场力分布的模拟引入到电场除尘效率模拟中，从而能够准确模拟带电除尘器除尘效率的计算方法。具体的，通过电场仿真软件对阴极线放电后的二维/三维空间中的电压分布进行模拟，将电压分布的二维/三维的结果以数据流的形式导出，然后将其导入到CFD仿真软件中，通过编写程序将电压分布转换为电场力分布，计算模型中粉尘粒子的受力情况，包括重力、曳力、电场力；根据计算流体力学方法，根据粉尘粒子的数量和运动轨迹终结位置来计算带电除尘器的除尘效率。
本发明不仅仅适合于静电除尘器的除尘效率模拟，也应用于电-袋复合式除尘器、湿式电除尘器除尘效率的模拟，以及所有利用静电去除粉尘的设备的除尘效率的模拟。
附图说明
图1为本发明所述计算方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法，包括以下步骤：
步骤1，建立静电除尘器的全尺寸几何模型，模拟静电力作用的电压分布；
因为每个除尘通道具有相似性，因此可以对静电除尘器一个通道内的电场进行模拟。建立二维/三维全尺寸几何模型，包含阳极线和阴极。将所述全尺寸几何模型划分网格，将网格文件导入已编号的电场模拟程序或者商业软件中，根据电晕放电公式计算出二维/三维空间中的电压分布。其中，所述电晕放电公式考虑阴极线半径、阴极线的粗糙系数、静电除尘器结构和空气相对密度。
步骤2，将步骤1中所述的电压分布的二维/三维的结果以文件的形式导出，且输出为数据流；
将静电除尘器单个除尘通道内电压分布以固定的格式输出为一个数据流，输出格式为：网格X坐标，网格Y坐标，网格Z坐标，网格中心点电压值；通过所述数据流表征整个除尘通道内的电压分布。
步骤3，将所述数据流导入到CFD仿真软件中，得到整个除尘通道的电压值分布；
在CFD仿真软件中，划分与所述全尺寸几何模型相同的网格，导入所述数据流，在CFD仿真软件中将每个网格中心点的电压值表征出来，得到整个除尘通道的电压值分布。
步骤4，通过编写程序将步骤3得到的电压值分布转换为电场力分布，包括：
步骤4.1，将步骤3中的电压值分布作为CFD仿真软件中的标量值，通过求得所述标量值的梯度得到静电除尘器内电场强度E的分布；
步骤4.2，由电场强度E的分布转换为电场力的分布，其中电场力F的计算公式为：
F＝q·E
式中，E为电场强度，单位V/m；q为粉尘粒子的荷电量；
其中饱和状态下粉尘粒子的荷电量q按下式计算：
式中，ε0为真空介电常数，ε0＝8.85×10-12C/N·m2；dp为粉尘粒子粒径，单位m；E为电场强度，单位V/m；εp为粉尘粒子的相对介电常数。
步骤5，计算全尺寸几何模型中粉尘粒子的受力情况，包括重力，曳力和电场力；
重力G：因为重力加速度而产生的力，受力方向为竖直向下。
式中，gx为重力加速度，ρp为粉尘粒子密度，ρ为烟气密度；
曳力FD：因为粒子与烟气的相对速度而产生的力，受力方向与相对速度方向相同。
式中，μ为烟气粘度，CD为曳力系数，ρp为粉尘粒子密度，dp为粉尘粒子粒径，Re为相对雷诺数；
其中，
up为粉尘粒子速度，u为烟气速度，ρ为烟气密度，dp为粉尘粒子粒径。
电场力F：因为电场强度而产生的力，受力方向与电场强度方向相同。
F＝q·E
式中，E为电场强度，q为粉尘粒子的荷电量。
步骤6，根据计算流体力学方法，根据粉尘粒子的数量和运动轨迹终结位置来计算带电除尘器的除尘效率。
根据多相流/离散相模型，对粉尘粒子的边界条件进行设定，根据粉尘粒子的粒度分布对粉尘粒子直径进行输入，粉尘粒子粒径很重要，影响粉尘粒子所受的电场力，因此粒径是计算除尘效率的关键参数；假设粒子运动到极板上就被捕集，运动轨迹结束；根据初始粉尘粒子总数和出口粉尘粒子总数，计算除尘效率，同时计算出不同粒径粉尘粒子的分级除尘效率。
本发明不仅仅适合于静电除尘器的除尘效率模拟，也应用于电-袋复合式除尘器、湿式电除尘器除尘效率的模拟，以及所有利用静电去除粉尘的设备的除尘效率的模拟。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立静电除尘器的全尺寸几何模型，模拟静电力作用的电压分布；
步骤2，将步骤1中所述的电压分布的二维/三维的结果以文件的形式导出，且输出为数据流；
步骤3，将所述数据流导入到CFD仿真软件中，得到整个除尘通道的电压值分布；
步骤4，通过编写程序将步骤3得到的电压值分布转换为电场力分布；
步骤5，计算全尺寸几何模型中粉尘粒子的受力情况，包括重力，曳力和电场力；
步骤6，根据计算流体力学方法，根据粉尘粒子的数量和运动轨迹终结位置来计算带电除尘器的除尘效率。
2.根据权利要求1所述的用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法，其特征在于，步骤1中，所述全尺寸几何模型为二维/三维模型，且所述全尺寸几何模型包含阳极线和阴极；将所述全尺寸几何模型划分网格，将网格文件导入电场模拟程序中，根据电晕放电公式计算出二维/三维空间中的电压分布。
3.根据权利要求2所述的用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法，其特征在于，所述电晕放电公式考虑阴极线半径、阴极线的粗糙系数、静电除尘器结构和空气相对密度。
4.根据权利要求2所述的用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法，其特征在于，步骤2中，将静电除尘器单个除尘通道内电压分布以固定的格式输出为一个数据流，输出格式为：网格X坐标，网格Y坐标，网格Z坐标，网格中心点电压值；通过所述数据流表征整个除尘通道内的电压分布。
5.根据权利要求4所述的用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法，其特征在于，步骤3中，在CFD仿真软件中，划分与所述全尺寸几何模型相同的网格，导入所述数据流，在CFD仿真软件中将每个网格中心点的电压值表征出来，得到整个除尘通道的电压值分布。
6.根据权利要求1所述的用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法，其特征在于，步骤4包括：
步骤4.1，将步骤3中的电压值分布作为CFD仿真软件中的标量值，通过求得所述标量值的梯度得到静电除尘器内电场强度E的分布；
步骤4.2，由电场强度E的分布转换为电场力的分布，其中电场力F的计算公式为：
F＝q·E
式中，E为电场强度，q为粉尘粒子的荷电量；
粉尘粒子的荷电量q按下式计算：
<mrow> <mi>q</mi> <mo>=</mo> <mn>4</mn> <msub> <mi>&amp;pi;&amp;epsiv;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>p</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>2</mn> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mrow> <msup> <msub> <mi>d</mi> <mi>p</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mn>4</mn> </mfrac> <mi>E</mi> </mrow>
式中，ε0为真空介电常数，dp为粉尘粒子粒径，E为电场强度，εp为粉尘粒子的相对介电常数。
7.根据权利要求6所述的用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法，其特征在于，步骤5中重力G、曳力FD和电场力F的计算方法分别如下：
<mrow> <mi>G</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>g</mi> <mi>x</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>p</mi> </msub> </mfrac> </mrow>
式中，gx为重力加速度，ρp为粉尘粒子密度，ρ为烟气密度；
<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>D</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>18</mn> <mi>&amp;mu;</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>p</mi> </msub> <msup> <msub> <mi>d</mi> <mi>p</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>D</mi> </msub> <msub> <mi>R</mi> <mi>e</mi> </msub> </mrow> <mn>24</mn> </mfrac> </mrow>
式中，μ为烟气粘度，CD为曳力系数，ρp为粉尘粒子密度，dp为粉尘粒子粒径，Re为相对雷诺数；
其中，
up为粉尘粒子速度，u为烟气速度，ρ为烟气密度，dp为粉尘粒子粒径；
F＝q·E
式中，E为电场强度，q为粉尘粒子的荷电量。
8.根据权利要求1所述的用于模拟带电除尘器除尘效率的计算方法，其特征在于，步骤6中：根据多相流/离散相模型，对粉尘粒子的边界条件进行设定，根据粉尘粒子的粒度分布对粉尘粒子直径进行输入；假设粒子运动到极板上就被捕集，运动轨迹结束；根据初始粉尘粒子总数和出口粉尘粒子总数，计算除尘效率，同时计算出不同粒径粉尘粒子的分级除尘效率。
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