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浙江工商大学食品、生物与环境工程学院毕业论文离心脉冲静电除尘器流场分布测试研究张涌新环境002 00233204摘 要本文较全面地检索了国内外有关静电与旋风除尘技术的文献资料，测试研究了脉冲供电时直筒式离心脉冲静电除尘器内部的流场分布，得出了各种不同实验条件下三维流场分布规律及入口风速和脉冲供电电压对流场分布的影响，并就进一步弄清离心脉冲静电除尘器内部整体流场的分布规律及其除尘机理和优化结构设计参数提出几点建议。实验研究得到的主要结论如下：1无供电情况下的离心脉冲静电除尘器相当于筒体中间带有一根金属线的普通旋风除尘器。内部气流的切向速度和径向速度沿筒体壁向方向大体上先增大后减小，轴向速度分布则无规律可循。且径向速度随着入口风速的增大在中心涡核处开始出现小部分沿筒体壁向方向的径向流。2在脉冲电压为45Kv的条件下，切向速度随着入口风速的增大而增大；轴向速度的整体变化比较平缓，并呈现出一定的规律性；径向速度的分布曲线近似水平直线。3在入口风速为8.5的条件下，脉冲电晕电压越高，相应的切向速度越小，轴向速度越大，径向速度变化不明显。随着半径的增大，切向速度基本上逐步变小，轴向速度先减小后又逐步增大，径向速度的分布曲线则比较平稳。4与普通旋风除尘器相比，离心脉冲静电除尘器内部流场的分布规律有所改善，更有利于除尘。这可能是因为电晕极线和电风的影响使得除尘器内部流场的湍流度反而减小，要证实这一点还有待于进一步通过实验深入研究。关键词 离心脉冲静电除尘器；除尘机理；脉冲供电；流场测试；五孔球形探针Experimented Study of the Flow Field Distribution inside CIESPAbstractIn this paper, many literatures on electrostatic precipitation and cyclone technology were consulted in an all-round way, and the flow field distribution inside a straight-tube cyclone impulse electrostatic precipitator (CIESP) was measured on condition of impulse voltage. Finally, the law of the three-dimension flow field distribution and the effects of entry velocity and impulse voltage were found under different conditions. To further study the law of the whole flow field distribution and dust removal mechanism of CIESP and optimize parameters of the structure, some suggestions were also put forward here. Conclusions based on the tested results can be summarized as follows: A CIESP is equivalent to an ordinary cyclone with a central discharge wire in the tube body at 0 Kv voltage. The tangential velocity and radial velocity inside air flow are reduced after increasing on the whole in the direction along the tube body wall, and the distribution of the axial velocity is in complete confusion. Besides, a small part of radial current along the tube body wall is found on the centre of the whirlpool as an increase in entry velocity . On condition of impulse voltage 45 Kv, an increase in entry velocity is found to boost the tangential velocity, and the whole change of the axial velocity is more gentle and demonstrates certain regularity, and the distribution curve of the redial velocity is also found like to be horizontal line. Under the circumstances that the entry velocity is 8.5m/s, the higher impulse corona voltage is, the smaller the corresponding tangential velocity is, and the larger the axial velocity is, but the change of the radial velocity is not obvious. With the increase of the radius, the tangential velocity is reduced progressively and basically, and the axial velocity increases progressively after reducing first, but the distribution curve of radial velocity becomes more steady. Compared with ordinary cyclone, the law of the flow field distribution inside CIESP is improved to some extent, which benefits dust removal. This may be due to the effects made by corona wire and electric wind, which reduce the turbulance degree of the flow field inside CIESP. But investigations must be further carried through all kinds of experiments to verify this hypothesis.Keywords: cyclone impulse electrostatic precipitator;dust removal mechanism; impulse power supply;flow field measurement; five-hole probe33目 录1 前言51.1 研究背景51.2 研究现状61.2.1 静电旋风除尘器除尘机理及除尘性能的研究现状61.2.2 静电旋风除尘器内部流场分布的研究现状71.2.3 供电技术与流场测试技术简述81.3 研究意义和目的91.4 主要工作内容92 实验设计102.1 实验装置102.1.1 供风装置102.1.2 供电装置102.1.3 测量仪器112.2 实验方法132.2.1 除尘器入口风速的测定方法132.2.2 除尘器内部三维流场的测定方法133 实验结果与讨论143.1 入口风速对流场的影响143.1.1 无供电时入口风速对三维流场的影响143.1.2 脉冲供电时入口风速对三维流场的影响163.2 脉冲电晕电压对流场的影响173.3 对比分析193.4 实验误差来源分析193.5 结论与建议20致 谢21参考文献22附 录123附 录2241 前言随着各国对环境质量要求日益严格，近几年来除尘技术又得到了很大的发展，除尘设备趋向高效率1。为提高除尘装置的性能，所采用的除尘新技术大致分3个方面： 改进传统除尘器的结构以充分发挥其净化作用，如长芒刺静电除尘器、新型旋风除尘器2等； 多机理复合除尘器，如惯性冲击静电除尘器、静电强化过滤除尘器、静电旋风除尘器、带电水滴湿式洗涤器等； 新机理除尘技术，如磁力除尘、凝聚除尘等3。尽管有些除尘新技术还不很成熟，甚至还处在探索阶段和改进中，但可以相信其中一些新技术一定会有很好的应用前景。离心脉冲静电除尘技术，即脉冲供电下的静电旋风除尘技术，是一项新兴的除尘技术，它将旋风除尘技术、静电除尘技术和高压脉冲供电技术三者有机结合起来，大大改善了原有单一除尘技术的除尘效果。目前，对常规直流供电下的静电旋风除尘技术的研究取得了一定进展，但对离心脉冲静电除尘技术的研究很少，对离心脉冲静电除尘器内部的流场分布研究基本空白。1.1 研究背景旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的除尘装置，具有结构简单、应用广泛、种类繁多等特点，但它对细小颗粒的捕集效率不高4。电除尘器是一种和其他各种除尘器有着根本区别的除尘装置，它将分离力（静电力）直接作用在粒子上，而不是作用在整个气流上，这决定了它具有除尘效率高、能耗小、气流阻力小等优点。旋风除尘器和电除尘器是控制与防止烟尘污染的主要手段，但随着现代工业生产的不断向前发展及环保要求的不断提高，对固气分离技术提出了更高的要求。所以开发新型高效的固气分离设备是当前固气分离研究领域中一个很活跃的课题。静电旋风除尘技术就是在此背景下产生的。静电旋风除尘器作为一种新型的除尘设备，其发展历史还比较短。70年代中期，前苏联首先作了实践上的尝试，初步证实了静电旋风除尘器确有实用价值5。随后的十多年时间内，美国、日本等国家也相继静电旋风除尘器的实验研究，而我国从1984年开始也投入静电旋风除尘器的实验研究5。近年来国内外一些学者对静电旋风除尘机理及除尘性能进行了实验研究615。这些研究都表明静电旋风除尘器能在不增加除尘器压降的情况下显著改善除尘效率，特别是在入口流速较低时效果更加明显，并且对微米和亚微米粒子的捕集效率有显著提高。虽然对静电旋风除尘器的研究取得了较大进展，但由于除尘器内气流和粒子流动状态复杂，准确测定较困难，至今在理论研究方面仍不够完善，许多关键问题尚需实验确定。 目前，静电旋风除尘器已被广泛应用于机械、建材、冶金、轻工、电力、化工以及环境保护等多领域的资源回收和烟气净化处理。其基本原理是在结构简单、体积小、应用场合广的旋风分离器中通过引入电晕极来增加高压静电场，当含尘气流通过时，尘粒受到静电力和离心力的共同作用从气流中分离出来，达到净化烟气或回收资源的目的。它本质上是旋风除尘器和静电除尘器的有机结合，具有结构简单，价格低廉，占地面积小，分离效率高，不限处理介质的温度和浓度，长期运行可靠，维护操作简便，对负荷波动有良好的适应性等优点。同时，由于静电旋风除尘器是在旋风除尘器的基础上外加高压静电场，所以除尘器内的流场流动情况极为复杂，既是三维湍流涡旋流动，又由于电晕放电产生电风而相互作用。这直接影响到静电旋风除尘器的除尘效率。因此，要想使静电旋风除尘器的除尘效率得到更进一步地提高，就必须弄清楚静电旋风除尘器内的流场分布情况。本文将脉冲供电新技术应用于静电旋风除尘器，并通过实验来测定离心脉冲静电除尘器内部的流场分布情况，分析脉冲供电前后旋风器内部的流场变化情况。本课题是国家自然科学基金资助项目的部分研究内容。1.2 研究现状1.2.1 静电旋风除尘器除尘机理及除尘性能的研究现状近年来，国内外一些学者在静电旋风除尘器除尘机理及除尘性能方面的研究取得了一定进展，得到了一些具有参考价值的数学公式，并提出影响除尘性能的因素。魏名山、马朝臣利用静电旋风分离器对捕集亚微米粒子进行了研究，该研究利用小间距，高场强静电旋风分离器捕集柴油机排放的颗粒物，取得了较大的效果，并得到了有效趋进速度与旋风器进口风速的关系。这对于开发捕集亚微米粒子的静电旋风分离器有重要参考价值：,式中：为有效驱进速度，；为进口风速，；，为常数6。韩国的K.S.Lim和K.W.Lee等人通过改变静电旋风除尘器的运行条件和结构参数来研究影响其除尘效率的因素，研究结果表明供电电压、处理流量、电晕极线直径、排气管材料、排气管插入深度、电晕极线长度和电晕极性都直接影响到其除尘效率的高低，提出了一系列改善除尘性能的有用措施7。王志、栾昌才对静电旋风分离器的分离机理、分离性能进行了实验研究，实验结果表明，同一入口风速下，电压升得越高，分离效率越高，这与国内外学者的实验结论是一致的9。李济吾、蔡伟建等人对离心脉冲静电除尘模型的除尘性能进行了实验研究,结果表明：离心脉冲静电除尘器具有结构简单、阻力损失低、除尘效率高等优点，脉冲供电能显著提高除尘器的分级效率，对粒径小于2粉尘的捕集，脉冲供电与直流供电相比其分级效率有显著提高，脉冲供电优于直流供电10、11。杨昌智、孙一坚对静电旋风分离器内粒子的受力情况进行了研究，认为电晕作用使切割粒径的减小是静电旋风除尘器除尘效率比旋风除尘器高的主要原因，得出切割粒径将随电场强度的增大而明显下降的结论16。顾强、刘炳江分析了电旋风分离器的主要增益因子，认为静电场提高了荷电粉尘向收尘壁面运动的速度；静电凝并作用使收尘空间粉尘粗化，提高了细粉尘分离效率；同时作者还提出一些提高旋风分离器的性能的途径：即提高电旋风分离器中粉尘的荷电水平、提高电旋风分离器电场强度和电晕电流密度、优化电旋风分离器的结构：认为在保持离心力作用的条件下，尽量发挥高压静电场和电流凝并作用，旋风结构要与之适应，从这个角度出发，采用直通排气式可能更适合电旋风12。另外，还有一些学者从静电旋风除尘器的结构方面作了实验研究，也取得了一定的成果8、14、13。1.2.2 静电旋风除尘器内部流场分布的研究现状静电旋风除尘器内部流场是旋风除尘器涡旋流场和电风场叠加而成的复杂流场，流场的三维分布情况直接影响到除尘器的除尘性能。目前，国内外学者对旋风除尘器的内部流场分布情况已经作了大量研究，但对静电旋风除尘器内部流场的研究相对较缺乏，这阻碍了对静电旋风除尘器进行深入的理论研究。亢燕铭、Gradon只对电强化型旋风器的电场分布进行了实验研究，得出结论：靠近电晕线的区域电势梯度较大，而筒壁附近则较小，电势梯度由电晕线到筒壁迅速降低并趋于稳定12。魏名山、马朝臣等人用PIV(粒子图像速度场仪)对静电旋风分离器的流场进行了测定，该仪器测量精度高，而且对流场完全无干扰。通过测试得出：在静电旋风分离器中，进口处筒体内切向速度峰值约等于切向进口内的平均流速，在其他截面处的切向速度的峰值几乎相等，其值低于进口处的切向速度峰值，但峰值位置逐渐向筒体中心移动，在外筒壁附近的切向流速随测试位置的下移而急剧减低。由于该测试仅仅给出切向速度和径向速度沿径向分布情况，没有给出轴向速度、静压及全压的分布情况，所以不能全面了解静电旋风分离器内气流流动情况16。张吉光、李华等运用五孔球形探针对CLT型静电旋风分离器的三维流场进行了较为详细的测定，并得出如下结论：安装电晕极后，切向速度分布变得平缓，峰值降低。内旋涡不再是强制涡流动，出现了“双峰”现象。另外，内外涡旋交界面半径较未加电晕极时为大，下行流区的切向速度有所增大，有利于提高分离效率；上、下行流交界面(轴向速度为零的面，也称滞留面)内移，即下行流变宽。在下行流区轴向速度的绝对值减小，而且，轴向速度梯度也减小，这有利于分离器的减阻。说明粉尘在旋风器中的有效分离空间的增加，这对离心力和电场力分离粒子都是有利的；对于静电旋风分离器，径向速度的分布与常规旋风分离器相比，轴对称性有所改善，但径向速度分布仍然较紊乱，尤其在电晕极附近，径向速度分布与常规分离器相比有较大波动。径向速度方向基本都是向心的；随着半径的减小，静压和全压都逐渐降低。就静压而言，下行流区静压值比常规旋风器低(绝对值增大)，在排气管底部附近，上行流区静压值比常规旋风器增加显著(绝对值减小)，大大高于常规旋风器12。1.2.3 供电技术与流场测试技术简述常见的除尘器供电电源有高频电源、常规直流电源和脉冲电源。郭俊在电除尘器高频电源开发探讨中对高频电源、常规直流电源和脉冲电源三者的性能做了比较，认为高频电源和脉冲电源对工况的适应性明显比常规直流电源要强，不过，在脉冲波形方面脉冲电源要比高频电源来得好，但从性价比来看，高频电源还是合算的17。对静电旋风除尘器来说，供电水平的高低直接影响到其除尘性能的好坏。目前，静电旋风除尘器实验研究所使用的电源大部分还是常规高压直流电源。现在市场上出现的脉冲电源大都是由国外引进的技术，成本很高，推广比较困难，所以国内脉冲供电在静电旋风除尘器上的应用研究还不多见。李济吾、蔡伟建等人率先使用高压窄脉冲电源对静电旋风除尘器模型的除尘性能进行了实验研究,结果表明：脉冲供电与直流供电相比粉尘的分级效率有显著提高，脉冲供电优于直流供电11。准确测定除尘器内部的流场，对分析除尘机理、优化结构参数及进一步研究新型高效除尘设备具有重要意义。以往除尘器内部的流场测定常采用五孔球形探针或单丝普通平探针。由于五孔球形探针测量比较方便，目前仍被广泛应用于测定旋风器内的三维平均速度场和压力场。一般说，它对切向速度和轴向速度具有较高的测试精度。而对于量值较小的径向速度，特别在中心涡核附近的径向速度，测试精度不够。而用热线风速仪的单丝平探针或x型探针测定旋风器内部的流动情况，需将三维速度场简化为二维流场来测定其平均速度及湍流脉动场，这样不可避免地会产生一些误差，但是其精度要高于五孔球形探针。另外，无论是五孔球形探针还是热线风速仪一次都只能测量一个点，两者对流场也都存在定的干扰。近年来有学者运用PIV（粒子图像速度场仪）对旋风静电除尘器内部的流场进行测试，取得了一定的成果。PIV（粒子图像速度场仪）是一种在流场中能同时多点(例如几千点)测量流体或粒子速度矢量的光学图像技术，它的测量精度和空间分辨力可以和LDV(激光多普勒测速仪)相媲美，而且对流场完全无干扰，但其价格较为昂贵，普通的实验室根本配备不起，因此还没有被广泛应用于实验研究。另外，目前市场上现有的流场测试仪器还没有一个同一的标准，加之仪器之间的测量精度和测量范围不同，导致前人的实验结果差别较大。1.3 研究意义和目的离心脉冲静电除尘器结合了旋风除尘器、静电除尘器及高压脉冲供电技术的优点，大大改善了除尘性能。在我国目前这样的经济条件下，是一种很有前途的新型除尘装置。研究离心脉冲静电除尘器内的气体流场分布，是深入认识静电旋风除尘器分离机理及优化其结构设计参数并进行理论分析的基础和重要依据，有助于促进除尘理论与技术的发展，为进一步开发更加高效的除尘设备提供一定的理论基础，具有较大的社会经济意义。同时，通过这次实验来了解高压窄脉冲供电对流场分布的影响，并提高自己的动手能力和创新能力，也为自己将来走上工作岗位提供一次良好的锻炼机会。1.4 主要工作内容本课题研究的主要工作内容有以下三个方面：1通过检索国内外有关文献资料，了解目前静电旋风除尘器的发展现状及其内部流场分布研究进展情况，也为本实验的实施奠定一个基础。2建立流场测试系统。选用五孔球形探针、倾斜微压计和毕托管三种相关测量仪器，并设置实验支架，建立起流场测试系统。3三维流场的测试与分析。分别在不通电和脉冲供电的情况下，通过改变入口风速或供电电压对离心脉冲静电除尘器内部的流场进行测试，并分析筒体内的流场分布规律及脉冲供电对流场的影响。2 实验设计2.1 实验装置离心脉冲静电除尘器实验模型的主体为一只直筒式旋风除尘器，筒体中间放置一根芒刺型电晕极。筒体采用2厚度的钢板制成，筒体空间内部直径为500，筒体高度为1700，入口形式为切向进气。实验装置系统见图1所示，气流从除尘器模型的上部切向进入，经过除尘器后的气流通过风机排出室外。实验装置系统主要由供风系统、供电系统和测量系统三个部分组成。图1实验装置系统示意图1、集流器 4、排风管 7、高压脉冲电源 10、毕托管2、进风管 5、芒刺电晕极 8、风量调节阀 11、倾斜微压计3、高压绝缘子 6、筒体 9、通风机 12、五孔球形探针2.1.1 供风装置 实验中的供风系统采用浙江上风实业股份有限公司生产的4723.5A型离心通风机，其额定风量为2950，风压为1608，功率为2.2。在实验过程中，风量由通风机前的阀门加以调节，并由此将除尘器入口风速控制在010内，这是为了方便对比实验结果，因为一般静电旋风除尘器的入口风速都控制在10以下3。2.1.2 供电装置 本实验使用高压窄脉冲供电电源。该脉冲电源是在浙江省金华市电除尘器总厂生产的GH20/100J型高压静电除尘器供电电源上面加装脉冲发生器改造而成的，主要由脉冲发生器和升压整流装置组成。其供电的基本原理是利用晶闸管元件的开关作用和整流二极管的单向导电性，以及电除尘器系统回路固有电容C、整流变压器回路固有电感L、回路损耗电阻R，构成RLC振荡回路，在整流变压器低压端（输入侧）产生脉冲，然后升压整流后形成既有基础电压，又有窄脉冲的高压窄脉冲供电。这种脉冲供电主要由基础电压调节电路、脉冲产生电路、保护电路、脉冲幅值调节电路等组成，其主要经济技术指标有： 脉冲幅值是基础电压的1.12倍，且幅值可调； 脉冲频率为：50150pps； 脉冲宽度为：0.130 s； 在同工况条件下，脉冲供电比常规直流供电烟气出口含尘浓度降低3070%左右； 在低压端产生脉冲，可控硅主回路能连续供电。2.1.3 测量仪器实验过程中所使用到的测量仪器有上海上洲仪器仪表厂生产的Y-61型倾斜式微压计和上海交通大学涡轮机实验室生产的两种空气动力探针（毕托管和五孔球形探针）。倾斜式微压计是应用液体静力学平衡原理而制成的液体压力计。它由一个截面积较大的金属容器和一根截面积小得多的可改变倾斜角度的玻璃管相连通，其工作原理如图2所示（正压力测量状态）。由几何关系和连通器原理可知则根据液体压力计测压原理，作用在容器液面上的被测压力为：式中：-工作介质密度，；-使用地点重力加速度，。为方便起见，令，取作为含工作介质的玻璃管各倾斜常数（实验采用95%的乙醇，常温下密度为0.804），则。图2 倾斜微压计工作原理图F2容器内截面积 F1玻璃管内截面积 玻璃管与水平面夹角h2容器内液面下降高度 h1玻璃管内液面上升高度 h压力平衡时总的液面高度 L压力平衡时倾斜管内液柱长度本实验所使用的毕托管的速度范围为马赫数，工作温度要求在。将实验条件下的气流看作不可压缩流体，则由不可压缩流体的伯努里方程可得： ()式中：-流体的总压；-流体的静压；-流体的速度；-流体的密度。由该公式可知，通过测定动压可以测出流体的流速。五孔球形探针是根据流体绕流球体的基本原理设计的，其装置示意图如图3所示。使用时，将放在坐标架上的五孔球形探针探头放置离心脉冲静电除尘器内空间测点上，测压接出管分别和倾斜微压计相连，转动五孔球形探针的支柄轴，使探针上测孔4、5的感压值相等，此时即可认为来流处在1、2、3所在的平面上，而4、5两孔对称。然后记录轴向流动角、孔1、3的差压值和孔2、4的差压值。计算流场径向流动角的校正系数：()先在五孔球形探针的校正曲线（见附录1）上，由查出角，再由角查得动压校正系数。建立坐标系（如图4所示），则气流的全速度和各分速度（切向速度、径向速度、轴向速度）的计算公式如下：()，()式中：-含工作介质的玻璃管倾斜常数； -空气的密度。图4 坐标系统图2.2 实验方法2.2.1 除尘器入口风速的测定方法除尘器的入口风速是通过通风机前的风量调节阀来调节的，通过控制流量可以控制入口的风速。而通过测定流体的动压可以测出流体的流速。在测气流动压时，倾斜微压计的正号接口与毕托管的总压接头相连，负号接口与毕托管的静压接头相连，从微压计的液面高度，就可得到流体的动压。则由公式()可知，流体的流速可按下式来算：()，式中是毕托管修正参数，且。实验测量除尘器的入口风速时，在进风管的某一横截面处，沿直径方向平均对称分布取五个测量点。利用连着倾斜微压计的毕托管测出这五个点处的值，并通过公式()将它们转化为相应的速度值，再把所得到的五个速度值进行平均，就得到了实验时的除尘器入口风速值。2.2.2 除尘器内部三维流场的测定方法图5 流场测试系统及断面测点布置图实验过程中的流场测试系统及测量断面测点布置图如图5所示，在离心脉冲静电除尘器筒体上开有间隔为200的五个孔，每个孔对应一个测量断面，且第一个孔距离筒体顶部350。一般可以近似认为筒体内三维流场呈轴对称分布，因此，可取一半径方向来测量。根据实验条件的不同，每个测量断面的测点数目及位置分布也有所不同。在未通电的情况下，每个测量断面取五个测量点，与筒体轴心的距离分别为50、100、150、200和240。在脉冲供电的情况下，为了安全起见，每个测量断面都只取四个测量点。实验过程中，电压越高，测点距离轴心越近，电晕强度越强，且有火花放电和闪络现象出现，不利于研究实验结果，故电压不同时测点的分布应有所不同。当供电电压为35时，四个测点与筒体轴心的距离分别为90、140、190和240；当供电电压为45和60时，四个测点与筒体轴心的距离分别为110、140、190和240。实验时，先将五孔球形探针的孔1和孔3、孔2和孔4、孔4和孔5的测压接出管分别接到三台玻璃管倾斜常数的倾斜微压计上，再把五孔球形探针的探头放置除尘器筒体内测量断面的预定测点上进行测量，将所得到的测点值通过公式()和()转化为相应测点处的切向速度、径向速度和轴向速度，即得到了该测量断面的三维速度分布情况。3 实验结果与讨论实验测试了不同脉冲供电电压和入口风速下一种直筒式离心脉冲静电除尘器内部的流场分布。实验数据见附录2（8个三维流场分布表）所示，相应的处理结果见图6图8。3.1 入口风速对流场的影响3.1.1 无供电时入口风速对三维流场的影响图6反映了无脉冲供电时，在入口风速为6.6、7.6和8.5三种情况下除尘器内5个测量断面的三维流场分布情况（坐标原点取在除尘器筒体的轴心处），其数据来源于附录2的附表1、附表2和附表3。如图6a所示，入口风速为6.6和7.6时，5个断面的切向速度从测点1开始基本上随着半径的增大先有小幅度的增大后又逐渐减小；入口风速为8.5时，切向速度变化很明显，曲线随着半径的增大有大幅度上升后转而下降，特别是在测点1和测点2之间切向速度的变化幅度很大。这说明，入口风速为8.5时，切向速度在测点1和测点3之间必存在一个最大值。另外，由于三个入口风速之间的差别并不大，所以这三种情况下的切向速度之间的差值不是很大，但基本上是入口风速越大相应的切向速度也越大，且从断面1到断面4切向速度也相应越来越大，说明气流在下旋的过程中，其切向速度不断得到提高。可是，断面5有点反常，与断面4相比切向速度要稍小一些，这可能跟断面5比较靠近密闭筒底有关系，因为气流在下旋到筒底时受到阻碍而反弹上升，下旋的切向速度部分被抵消而变小。从总体上来讲，切向速度的最大值约是入口风速的两倍。从图6 b可以看出，三种入口风速下的径向速度曲线都比较平稳。入口风速为8.5时的测点1除外，径向速度基本上随着半径的增大都有所减小，但幅度比较小。且大部分径向速度是向心的，只在中心涡核处才有小部分向筒体壁外的径向流，这一点从入口风速为8.5时各断面径向速度的变化曲线图可以看出来。对比图6中的a、b、c三个图发现，径向速度远远小于切向速度和轴向速度，且与切向速度相比，径向速度沿轴向的变化不明显。且各种情况下，径向速度的最大值都不超过8。由图6c可知，轴向速度的分布很复杂，不仅沿筒体壁向上的分布较复杂，而且沿筒体轴向上的变化也很大，基本上无规律可循。图6 无供电情况下入口风速对流场的影响与普通旋风除尘器相比，无脉冲供电下的离心脉冲静电除尘器在筒体中心处多了一根电晕线，对流场有一定的影响，某些测点曾出现奇点（来流在此处有多个平衡面）的情况（如入口风速为6.6时断面5的第5个测点），但所得的流场测试结果大体上与前人对普通旋风除尘器流场的测试结果相吻合18。3.1.2 脉冲供电时入口风速对三维流场的影响图7给出了脉冲供电电压为45时，在入口风速为8.5、7.7和6.0三种情况下除尘器内5个测量断面的三维流场分布情况（坐标原点取在除尘器筒体的轴心处），其数据来源于附录2的附表5、附表7和附表8。从图6中可以看到，每个测量断面的测点数目减少为4个，这是因为在第1个测点处有时电晕线与五孔球形探针之间发生了火花放电，如果探针再靠近电晕线来测量的话，电路就可能一直处于闪络状态而无法正常进行实验。图7a反映的是实验条件下5个测量断面的切向速度分布情况。不同入口风速下的切向速度分布沿径向方向随着半径的增大都有所减小，但变化的幅度都不大。从不同入口风速下各个测量断面的的切向速度分布曲线可以看出，入口风速越大，相应的切向速度也越大。对于同一入口风速来说，断面1除外，切向速度沿筒体轴向变化不大，即切向速度在气流下旋的过程中变化不大，这一点与无供电的情况明显不同。断面1的切向速度比其它断面要大一些，这可能与断面1靠近除尘器的切向入口有关系。入口风速为7.7时，断面1处测点2的速度值偏小，这可能是实验操作误差造成的。图7b反映的是实验条件下5个测量断面的径向速度分布情况。由图中的径向速度分布曲线可知，每个测量断面的径向速度都是正值，但不同入口风速下径向速度之间的差别不大，曲线近似水平直线，且气流在下旋过程中各个测量断面的径向速度之间的差别也不大。对比图7中的a、b、c三个图发现，径向速度远远小于切向速度和轴向速度，且径向速度沿筒轴向和壁向的变化最不明显，最大值都不超过6。图7c给出了实验条件下5个测量断面的轴向速度分布情况。各个测量断面的轴向速度分布曲线呈现出一定的规律性，不同入口风速下的轴向速度差别比较大。比较入口风速为6.0、7.7和8.5下各个测量断面的轴向速度分布曲线发现，入口风速为7.7和8.5时两者的轴向速度变化趋势大致相同。在脉冲电压为45下，五孔球形探针越靠近电晕线，两者之间就越容易发生火花放电，甚至产生电弧，不但对实验的测试结果不利，而且可能威胁到实验人员的安全，所以每个测量断面的测点相应减少一个，且测点的位置也相应往筒壁移动一些，这样就导致了无法弄清实验条件下电晕线周围的流场分布情况。图7 脉冲供电时入口风速对流场的影响3.2 脉冲电晕电压对流场的影响图8中的除尘器内部三维流场分布图是在入口风速8.5的条件下，对脉冲供电电压为0、35、45和60四种情况进行流场测试所得到的结果（坐标原点取在除尘器筒体的轴心处），其数据来源于附录2的附表1、附表4、附表5和附表6。电压为0时，每个测量断面分布5个测点，电压为35、45和60的情况下每个测量断面都只分布4个测点。从图8a可以看出，同一入口风速下不同供电电压不同测量断面的切向速度分布情况。除第5个断面以外，切向速度在大部分情况下有电压比无电压要来得大，且在有电压的情况下电晕电压越低，相应的切向速度越大,每个测量断面的切向速度基本上随着半径的增大而逐步变小。另外，切向速度总体上沿筒体轴向的变化趋势并不明显，但是，从靠近筒壁的第4个测点切向速度沿筒体轴向的变化可知，气流在沿筒体下旋的过程中，靠近筒壁的那部分外圈气流的切向速度相应得到不断地提高，这与无供电情况下的切向速度变化相类似。由图8b可知，入口风速为8.5时，在脉冲供电电压为0、35、45和60四种情况下各个测量断面的径向速度分布情况。在测量断面1处，无供电时的径向速度比有供电时的径向速度要小很多，而在其它测量断面，四种情况下的径向速度大小差不多，其分布的规律也差不多。在有电时，从测点1开始随着半径的增大，每一径向速度都有所减小但幅度不大。而各种脉冲电压下的径向速度沿轴向方向并没有多大的变化，曲线的变化趋势也很相似。从图8c可以看出，在实验条件下，每个测量断面各个供电电压下轴向速度分布曲线的规律性比较明显，大体上都是随着半径的增大先减小后再逐步增大，且基本上是供电电压越高相应的轴向速度也越大。考虑到实验人员的安全和实验结果的准确性，每个测量断面的测点减少为4个，且断面上的测点1的位置沿外筒壁方向移动一些。而本身测量断面的测点数目就不多，这样只能分析固定风速下不同供电电压对部分流场的影响情况，导致无法弄清整个筒体的流场分布情况。 图8 脉冲电晕电压对流场的影响3.3 对比分析由于图6和图7中，实验条件下各自的三个入口风速差不多，所以可以将它们作一个对比来探讨有无脉冲供电除尘器内部流场的变化情况。经对比发现，脉冲供电对流场的三维分布影响很大，特别是对切向速度和轴向速度的影响。从图6可知，不同入口风速下旋风除尘器内部各个测量断面的切向速度之间差别不大，但它们从第2测点开始沿壁向的减小幅度比较大，而旋风除尘器内部各个测量断面的轴向速度分布则比较乱，沿筒体轴向和壁向的变化都比较大且较复杂，基本上没有什么规律。但是，对电晕极线施加高压窄脉冲供电电压后，不同入口风速下离心脉冲静电除尘器内部各个测量断面的切向速度差别较大，而切向速度沿壁向方向的变化幅度则比较小；对轴向速度来说，整体上开始呈现出一定的规律性，但其变化的强度与旋风除尘器内部轴向速度的变化相比要平缓，且入口风速为7.7和8.5的轴向速度变化趋势大致相同。可见，与普通的旋风除尘器相比，离心脉冲静电除尘器内部流场分布规律有所改善，更有利于除尘。这可能是因为电晕极线和电风的影响使得除尘器内部流场的湍流度反而减小了，与文献4中所提到的“加涡减阻”的假说相类似，有待于通过实验进一步深入研究。3.4 实验误差来源分析实验过程中误差的来源主要有以下几个方面：1测量仪器本身的误差。特别是五孔球形探针，其校正曲线是在平行流风洞中得到的。当它用于测试离心脉冲静电除尘器内部的旋转流场时，就有了旋转环量，再通过平行流校正得出的校正曲线来查值自然就有较大误差了，旋转半径较小时误差更大。一般说，五孔球形探针使用范围的最小误差不超出30，测速范围为58019、20。所以五孔球形探针对于量值较小的径向速度，特别是中心涡核附近的径向速度，测试精度不够。2干扰误差。将五孔球形探针放置在旋转流场中，由于五孔球形探针本身的形状，导致它对流场产生一定的干扰。当转动五孔球形探针时，可能会使来流方向严重偏离2号孔的中心轴线方向，这使得4、5两孔的压差值可能会在0附近徘徊而又无法到达0刻度，出现了盲点。沈恒根对五孔球形探针测定旋风分离器流场进行了对比实验研究，发现全程法测定旋风分离器流场，造成速度分布测定结果轴不对称；由于径向梯度的影响，测得的旋风分离器内涡区呈源流是一种假象；认为五孔球形探针测定旋风分离器流场宜采用对流场干扰相对较小的前程法，五孔球形探针测定应做径向静压梯度校正21。3电路闪络带来的误差。这主要反映在对电晕线施加高压脉冲电压的实验过程中。由于五孔球形探针是金属制成的，在测试除尘器内部的流场，特别是在靠近电晕线附近时，可能会在五孔球形探针和电晕线之间发生火花放电，甚至在两者之间产生电弧，这样必然导致电路发生闪络，电晕电压和电晕电流不稳，也就无法准确测出实验条件下的流场了。4实验人员的操作误差。主要是在读数过程中造成的误差。由于在转动五孔球形探针的过程中，倾斜微压计有一定的滞后性，当发现4、5两孔的压差值为0时，停止转动五孔球形探针，此时坐标架上的刻度盘显示的角度就可能会偏大，相应的1、3两孔和2、4两孔压差值的读书也就不准确了。5其它误差。如由于测孔的孔径大约是五孔球形探针直径的3倍，所以在把五孔球形探针从一测点移动到另一测点的过程中可能会导致偏离测量断面，即几个测点无法保证都是同一测量断面的点，可能会有一些误差。另外，气流的本身的状况（如温度、湿度等），可能会对处理结果造成一定的误差。3.5 结论与建议本文在前人研究的基础上，通过改变脉冲供电电压和入口风速对一种直筒式离心脉冲静电除尘器内部的流场进行了测试，最终得到了各种不同实验条件下三维流场分布规律及入口风速和脉冲供电电压对流场分布的影响。具体研究结论如下：1无供电情况下的离心脉冲静电除尘器相当于筒体中间带有一根金属线的普通旋风除尘器。内部气流的切向速度和径向速度沿筒体壁向方向大体上先增大后减小，轴向速度分布则无规律可循。且径向速度随着入口风速的增大在中心涡核处开始出现小部分沿筒体壁向方向的径向流。2在脉冲电压为45Kv的条件下，切向速度随着入口风速的增大而增大；轴向速度的整体变化比较平缓，并呈现出一定的规律性；径向速度的分布曲线近似水平直线。3在入口风速为8.5的条件下，脉冲电晕电压越高，相应的切向速度越小，轴向速度越大，径向速度变化不明显。随着半径的增大，切向速度基本上逐步变小，轴向速度先减小后又逐步增大，径向速度的分布曲线则比较平稳。4与普通旋风除尘器相比，离心脉冲静电除尘器内部流场的分布规律有所改善，更有利于除尘。这可能是因为电晕极线和电风的影响使得除尘器内部流场的湍流度反而减小，要证实这一点还有待于进一步通过实验深入研究。针对本文的研究工作，就进一步弄清离心脉冲静电除尘器内部整体流场的分布规律及准确认识其除尘机理并优化结构设计参数提出以下几点建议：1增加测量断面及每个测量断面的测点数目，研究其整体三维流场随不同入口风速和脉冲电晕电压的变化情况，分析内、外涡旋交界面的变化规律，为深化理论研究奠定一个扎实的基础。2有条件的话，应该选用先进的对流场无干扰作用的测量仪器来进行流场的测试。实验过程中，把测量仪器与计算机直接相连在一起，通过计算机来自动处理实验数据并给出流场的分布规律图，减少人为的误差，保证实验数据的准确性。3由于离心脉冲静电除尘器内流场及粒子运动的复杂性，使对其的研究形成不了完整的理论，也没有严格的数学模型可作为依据，使得对其设计与性能的改进只能依赖实验和经验，这在某种程度上必然造成人力、物力、财力的浪费。因此，需要逐步建立充实、完善的离心脉冲静电除尘器的理论，提出较可靠、全面的数学模型，进行计算机数学模拟研究，从而为离心脉冲静电除尘技术的进步及进一步开发新型高效的除尘设备作出努力。致 谢本文是在导师李济吾教授的悉心指导下完成的。导师从选题到论文完成给作者以充分的学习和锻炼机会，关心课题的进展，并指导解决课题中出现的问题。作者还从导师身上学到科研中需要的严谨和认真的态度。在此，对李教授表示最衷心的感谢。在实验装置系统的搭置和流场测试实验的过程中，得到了李方和陆伟珉同学的大力帮助，在此表示深深的感谢。同时，在此要特别感谢赵健平老师给我写论文过程中提供的帮助，让我得以按时完成论文。最后，对所有关心我成长和工作的人致以最真诚的谢意。参考文献1 郝吉明,马广大主编.大气污染控制工程（第二版）M.北京:高等教育出版社,2002.8:161227.2 张艳辉,刘有智,霍 红,陈 丹.旋风除尘器的研究进展J.华北工学院学报.1998,19(4):6468.3 向晓东著.现代除尘理论与技术M.北京:冶金工业出版社,2002.229251.4 Wang.L.Z.,Yan.Q.S.,and Liu.L.L. (2001) .Effect of a Stick on the Flow Field in a Cyclone and the Pressure Drop Reduction Mechanism.Aerosol Sci.Technol.35:909913.5 张大超.旋风脉冲静电除尘器流场数值模拟研究D.南方冶金学院硕士学位论文.2001年12月.6 魏名山,马朝臣.利用静电旋风除尘器捕集亚微米粒子的研究J.环境工程.1999,17(6):3638.7 Lim.K.S.,Lee.K.W.,and Kuhlman.M.R.(2001).An Experimental Study of the Performance Factors Affecting Partic