【优秀硕士博士论文】开题报告ppt—声波团聚燃煤烟气超细颗粒物的数值模拟研究

能源与环境研究所,论文题目：,声波团聚燃煤烟气超细颗粒物的数值模拟研究,1,哈爾濱工業大學,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,1,2,3,4,5,背景介绍,国内外研究现状,主要研究内容和研究方案,创新点,预期困难,目录,6,时间安排,2,哈爾濱工業大學,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,背景介绍,环境问题,传统环境问题,3,气候变暖,酸雨,臭氧层空洞,经环保人员不懈努力，传统环境问题得到缓解,全球工业发展，新的环境问题不断涌现,人们生活水平提高，对环境要求提高,PM2.5污染,4,2010年，美驻华使馆发布北京PM2.5检测数据,各国PM2.5限值,5,PM2.5走进大众视野（1.1）,/,PM2.5的特性及危害（1.2）,6,对环境的影响,来源分析,人为排放,自然排放,从以上统计结果来看，目前燃煤排放是我国PM2.5的主要来源之一，研究燃煤烟气PM2.5的净化很重要。,7,能见度下降,破换辐射平衡,污染状况,全球细颗粒物污染情况图,该图由两位加拿大研究员Aaron van Donkelaar 和 Randall Martin绘制，2010年由NASA在其官方网站公布,下图显示我国的PM2.5问题相当严重,从以上分析可知，PM2.5污染危害极大，且我国的PM2.5污染问题也非常突出，所以PM2.5净化是亟待解决的问题。,8,控制方法,减少颗粒表面的重金属富集,减少排放量,控制燃烧,颗粒预处理,升级除尘设备,从可行性及投资上分析，升级除尘设备和控制燃烧两种方法耗资大，研究难度大，所以颗粒预处理是目前主要的研究方法,颗粒预处理方法主要包括各种团聚技术，如声波团聚、化学团聚、湍流团聚等。,国内外研究现状,外场作用,9,声波团聚,利用高强度声场使气溶胶中微米和亚微米颗粒团聚的过程。,一般认为，声波团聚机理主要有同向团聚作用、流体力学作用、声辐射压力作用、声致湍流等，其中前两者是主要的声波团聚机理。,声波的作用效果在于高强度声波增加颗粒间的相对运动并因此增加它们的碰撞速率，一旦颗粒发生了碰撞，它们便十分可能粘附而形成较大一级的团聚物。,10,实验研究进展,实验研究,数值模拟,声波团聚的现象是于1866年被发现的，但直到1927年，物理学家R.W Wood实验研究发现高强度声波在介质中的震动性质，由此才掀起了声波团聚的热潮。1975年，Michael Volk Jr.和William J.Moroz利用0.051m的炭黑气溶胶颗粒，实验研究了声团聚在低声压级（100120dB）下团聚颗粒的可行性。1983年，Cheng等研究了行波作用下、声压级位于145155dB、频率位于600300Hz的声场时，颗粒的团聚效应。1993年，T.L Hoffmann实验研究了频率为44 Hz、声压级在160 dB的声场中，同时添加了粒径为88m的石灰石大颗粒的燃煤飞灰双模团聚现象。1999年，Juan A. Gallego-Juarez等建立了中试规模的试验台，研究声波团聚减少燃煤烟气中颗粒物含量的实验。2000年，Itziar Gonzalez et al在行波场中研究了气溶胶颗粒在声波中的夹带系数。实验结果与Brandt-Freund-Hiedemann方程所建立的夹带系数的表达式进行了对比。,11,选取一定范围声压级、频率的声场,制备一种亚微米级气溶胶颗粒,实验研究特定范围的声场对气溶胶颗粒团聚的效果,分析声压级或频率的变化对团聚现象的影响,找出最佳的团聚条件,团聚效果只定性表征,实验研究一般步骤,使用燃煤飞灰作为研究对象，选几种定向制备的气溶胶颗粒作为对比,实验条件控制更加精确,团聚后颗粒的浓度进行定量表征,从早期到近期的实验研究上来看，大多数实验研究都是摸索操作参数影响规律的层面，并尝试利用实验现象解释相关机理实验研究耗能大，需要投入大量资金，限值了实验研究的发展，而数值模拟研究需要的投资少，耗能低，不受工况、地点的限制，成为一种重要研究手段。,12,数值模拟研究进展,1977年，Volk进行了最早的声波团聚数值模拟，模型主要基于Mednikov的同向团聚机理，另外还包含了声辐射力等二次效应。1980年，Chou采用了标准矩量法(Method of Moments)对声波团聚进行数值模拟，采用的数值模型为同向团聚机理（声压级小于160dB）和湍流团聚机理（声压级大于160dB）。1990年，Song建立了完整的声波团聚数值模型，采用的算法是气溶胶动力学方程的离散化解法，采用的机理是同向团聚机理和改进的共辐射压作用。2006年，Sheng开始尝试使用等体积蒙特卡罗方法对声波团聚进行数值模拟，模型包含布朗团聚、同向团聚和流体力学作用机理。2010年，张光学从实验、团聚机理以及数值模拟三个方面对声波团聚展开研究工作。采用燃煤飞灰作为实验颗粒，着重研究了各操作参数对声波团聚的影响。结果发现低频的团聚效果要比高频的好，最佳频率为1.4KHz1.7KHz；声压级为147dB时，细颗粒物的颗粒数目浓度降低了70%以上；随着声压级、颗粒初始浓度及停留时间的增加，团聚效果增强。,13,数值模拟研究步骤,对真实的团聚过程进行简化，建立简化的模型,做一些必要的假设（颗粒形状、粒径分布、颗粒硬度）,得到各个机理作用下的团聚核函数,然后通过一定的叠加原则（如线性相加）得到总的团聚核函数,采用数值计算方法，对团聚过程中气溶胶性质（主要是颗粒数目和体积）的变化进行数值求解,数值计算方法主要有三种，矩量法、分组法、蒙特卡洛法,14,数值模拟研究方法的发展是随着实验和团聚机理的不断完整而进行的。,实验发现现有机理解释不了的团聚现象,提出新的机理对其加以解释,对原有数值模拟方法进行改进,数值模拟更加精确地描述团聚,更加清楚地认识团聚机理,数值模拟-机理-实验,15,主要研究内容及研究方案,1.研究对象脱硫后烟气中的颗粒物,王珲，宋蔷研究发现，湿法烟气脱硫后烟气中的颗粒物的平均粒径更小，更难脱除,湿法脱硫,颜金培，杨林军也通过研究发现氨法脱硫后烟气中细颗粒的数浓度显著增加产生大量粒径位于0.080.4m的气溶胶颗粒,用Matlab将脱硫后颗粒粒径分布拟合出一个浓度随粒径变化的函数,16,2.声波团聚室结构优化,湍流强度越大，颗粒间发生的相对运动也就越大，从而导致更多碰撞事件的发生利用三维绘图软件建立模型，然后用Fluent对优化后的团聚室进行流场分析,17,3.数值模拟颗粒团聚,建立模型,编程计算,做必要假设包括主要声波团聚机理选择合适的描述机理的公式建立团聚核函数,学习编程软件（matlab）选择合适的算法编程计算,分析计算结果,得出最佳操作参数（频率、声压级、接触时间等）,用Matlab编程计算气溶胶动力学方程，,18,4.前期工作,建立声波团聚核函数,采用改进的分组法,分组法：,改进分组法：,只考虑了同向团聚机理,改进分组法可以保证体积守恒，更加精确计算耗时,19,计算结果,1. 粒径分布,2. 浓度变化,不足之处：,碰撞效率需要改进添加流体力学作用机理颗粒粒径分布,20,创新点,1.初始粒径分布,2.优化的声团聚室,21,预期困难,1.建模阶段 如何选择合适的计算公