【优秀硕士博士论文】开题报告-声波团聚燃煤烟气超细颗粒物数值模拟研究

哈尔滨工业大学硕士学位论文开题报告题目声波团聚燃煤烟气超细颗粒物数值模拟研究院（系）汽车工程学院学科动力工程导师研究生学号开题报告日期研究生院培养处制目录1研究背景及意义111课题背景112PM25简介213PM25污染状况32国内外研究现状及分析421实验研究现状5211国外声波团聚实验研究进展5212国内声波团聚实验研究进展7213小结722数值模拟研究进展8221小结93主要研究内容1031脱硫后锅炉烟气细颗粒物的变化特性1032声团聚室结构优化1133声波团聚数值模拟1234小结124进度安排135参考文献141研究背景及意义大气是人类赖以生存的最基本的环境要素之一，任何生物从它诞生之日起，就需要通过呼吸维持生命，停止呼吸就意味着生命的终结。随着人类生产和生活活动的发展，当它对大气产生的影响超过其自净能力时就会对大气造成污染。自我国改革开放以来，我国经济获得了长足的发展，生产力水平大大提高。但是，传统模式下的生产力的提高在驱动经济增长和为企业带来利润的同时，却使我们的家园变得千疮百孔，不堪重负。传统意义上讲，人类面临主要的环境问题分为三种，分别是气候变暖、臭氧层破坏和酸雨1。其中，酸雨问题是最为突出的问题，对人类的生活及健康产生的威胁也最大。酸雨通常是指表示酸碱度指数的PH值低于56的酸性降水。酸雨是工业高度发展而出现的副产物，由于人类大量使用煤、石油、天然气等化石燃料，燃烧后产生的硫氧化物或氮氧化物，在大气中经过复杂的化学反应，形成硫酸或硝酸气溶胶，或为云、雨、雪、雾捕捉吸收，降到地面成为酸雨。如图1为酸雨形成的简单示意图。图1酸雨形成过程示意图近几十年来，经过世界环保人员的不懈努力以及各国政府的正确引导，世界各国人民对以上三大环境问题已经有了较清楚的认识，也对传统意义上的环境问题有了足够的重视。但是，随着世界化石燃料相关工业（如动力发电、汽车行业及石油工业等）的不断发展，新的环境问题也不断涌现。人们对空气质量要求的不断提高，可吸入颗粒物越来越受到人们的关注。11课题背景2010年11月21日，美国驻华使馆发布的北京PM25监测数据爆表，超过了最高污染指数500，此时的PM25浓度522，也因为“超出了该污染物的值域”，在美国环保局网站上无法转换为空气质量指数，当时使馆在推特上描述其为“CRAZYBAD（糟糕透顶）”。2011年，随着部分地区的空气监测引发关注和热议，PM25和PM10这两种空气监测标准也进入公众视野。图2某日北京空气污染状况早在20世纪80年代，国际社会已对可吸入颗粒物污染高度重视。随着人们对大气颗粒物研究的深入，人们认识到粒径在10UM以下的颗粒物是对环境和人体健康危害最大的一类污染物，并且细颗粒的危害性比粗颗粒更加严重，因此各个国家对其制定的排放标准日趋严格。PM25的标准是1997由美国率先提出，主要是为了更有效地监测随着工业化日益发达而出现的、在旧标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。首次规定了PM25的质量浓度限值315G/M3（年平均）和65G/M3（日平均）。经过近年来的不断发展，世界卫生组织及一些国家也针对PM25的浓度颁布了相关了法令，规定了PM25的限值34，如下表所示。国家/组织年平均（G/M3）日平均（G/M3）备注准则值1025目标13575目标22550WHO目标3153752005年发布澳大利亚8252003年发布，非强制标准美国15352006年生效日本15352009年发布欧盟25无2010年发布，2015年强制标准生效一级1535中国二级35752016年开始生效表1国际及一些国家的PM25限值及实施时间12PM25简介PM，英文全称为PARTICULATEMATTER（颗粒物）。PM25是指大气中直径小于或等于25微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20（如下图所示）。图3颗粒粒径示意图PM25危害较大，主要分为两个方面，对环境的影响和对人身体健康的影响。首先介绍PM25对大气环境的影响。对大气环境的影响主要是对空气能见度的影响和对气候的影响。诸如PM25之类的细颗粒物存在于空气中时，对辐射到大气中的太阳光形成散射和吸收作用，继而大幅降低了有效视距，导致能见度下降；另外，空气中存在的细颗粒物对太阳辐射的能量也有吸收和反射的作用，所以大气中如果存在大量细颗粒时，辐射到地球的能量和地球辐射到宇宙的能量都会受到影响，打破地球与外界的能量收支平衡，对气候造成影响。PM25对人身体健康的影响有多方面，也受到了广泛的关注。世界卫生组织发布的报告显示，无论是发达国家还是发展中国家，目前大多数城市和农村人口均遭受到颗粒物对健康的影响。高污染城市中的死亡率超出相对清洁城市的15至20。据统计，在欧洲，PM25每年导致386000人死亡，并使欧盟国家人均期望寿命减少86个月。PM25之所以能对人体造成伤害首先是因为其自身粒径非常小，而人的生理结构决定，人体不能阻挡PM25这些小颗粒。进入人体后，一般直接到达支气管和肺泡，甚至可以进入血液；其次是因为PM25由于粒径小，所以比表面积较大，易于富集多种烃类、苯类、痕量有毒金属，甚至病毒细菌等有毒物质，当这些有毒物质在人体内沉积到一定量时，必然会对人体健康造成严重影响。美国环保局（EPA）和一些其他科研机构通过研究证实，PM25的浓度变化与慢性病、呼吸道疾病一级心脑血管疾病发病率有很大的相关性。2002年美国纽约州立大学药物院的相关研究者研究发现，细颗粒物与肺癌、心脏病所导致的死亡率有紧密联系，并获得了确切的证据5。13PM25污染状况美国国家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一张由加拿大的两位研究员AARONVANDONKELAAR和RANDALLMARTIN绘制的全球细颗粒物污染情况图6，显示了20012006年全球PM25浓度的平均值。图中显示我国东部地区PM25污染非常严重。在这张图上红色（即PM25密度最高），出现在北非、东亚和中国。中国华北、华东和华中PM25的密度，指数甚至接近每立方米80微克，甚至超过了撒哈拉沙漠。在这张20012006年间平均全球空气污染形势图上，全球PM25最高的地区在北非和中国的华北、华东、华中全部。图4全球PM25污染状况图综上所述，超细颗粒物污染问题已经是世界环境问题的重要组成部分，对环境及人类生存都产生了较严重的影响。近年来，各国人民对于空气质量的关注度逐渐提高，世界卫生组织及一些国家对该问题也都给予了足够的重视。我国也于2012年2月29日颁布新的环境空气质量标准4，增设了PM25的浓度限值，调整了PM10的浓度限值。由此可见，研究超细颗粒物的控制方法，找到适合的控制方法将PM25限值在合理的范围内，已经迫在眉睫。2国内外研究现状及分析燃烧源中可吸入颗粒物的控制技术主要包括两类，一类是以减少可吸入颗粒物的数量为目的的控制技术，一种是以减少可吸入颗粒物中有害元素为目的的控制技术7。前者主要有基于布袋除尘器，静电除尘器等的除尘技术。静电除尘器被认为是一种可靠、运行费用和维护费用较低的除尘好方法，能满足大多数设备的除尘需要。但是静电除尘器对于颗粒小于25M的超细颗粒物的脱除效率却很低，出口飞灰的平均粒经可达到几个微米，即飞灰中大部分是可吸入颗粒物。所以，无法适应国家新规定的要求。布袋除尘器是一种高效的除尘设备，对细颗粒物的脱除效率也相当可观，但是维护费用相当高，与我国的发展不相适应。后者包括很多的技术，如为了减少硫酸盐、氮酸盐的技术，为了减少重金属排放的技术和为了减少多环芳烃的技术。现有研究已经表明烟气脱硫方式对重金属的化学形态和浓度都有影响。进一步探明其影响机理，提出脱硫过程中控制重金属的方法具有实用价值。由此可见，合理设计脱硫方法以控制重金属排放，可以有效控制超细颗粒物的形成。从目前的研究方向上来看，第二类技术难度较大，需要从燃烧源或者燃烧方式上控制，故国内外研究进展较慢，距离工业应用较远；相比较之下，第一类技术具有更大的可行性，也是目前研究较多的技术。对于第一类技术，又可以从两个方面入手解决。一方面是升级除尘设备，提高设备对细颗粒物的捕集效率，从而减少超细颗粒物的排放量；另一方面是利用外场作用，使得小颗粒长大为大颗粒或小颗粒发生团聚现象，从而可以用传统除尘设备将超细颗粒物除去。目前研究者主要把研究重点放在团聚作用上面，通过一定的团聚手段使细颗粒物长大，再利用传统除尘设备将其除去。现阶段，超细颗粒物的团聚技术主要有声团聚、电团聚、磁团聚、化学团聚等。对比多种团聚技术，声波团聚具有诸多优点，如声源不需与高温、腐蚀性烟气发生直接接触；对于声波团聚技术，国内外研究的历史悠久，对相关的机理已有一定的认识。声波团聚是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。声波的作用效果在于引起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，下图为细颗粒声波团聚的示意图。图5细颗粒声波团聚长大示意图从图中可以看出，由于外加声波的作用，大小颗粒之间发生了相对运动，从而导致了颗粒的团聚。所以，颗粒的粒径分布将从小尺寸向大尺寸范围迁移。团聚后颗粒的平均粒径变大，细颗粒的数目浓度变小。粒径增大使得颗粒物更容易被除尘设备脱除，从而达到提高烟气效率的效果。因此，声波团聚是一种预处理过程，通过声波团聚作用可提高整个系统的除尘效率。从目前相关研究者的研究成果来看，声波团聚之所以能引起颗粒相对运动主要是因为在声波作用时，出现的颗粒随声波的夹带运动（同向团聚机理）、入射波的反射（交互反射和互相辐射压力作用）以及颗粒附近的流场扰动（声波尾迹相互作用）等效应。几种作用同时存在，在其共同影响下，颗粒相互靠近并最终碰撞黏附在一起形成团聚物。团聚物和其他细颗粒继续发生碰撞，团聚的尺寸不断增大，在很短时间内颗粒的粒径分布向较大粒径的方向迁移，细颗粒的数目浓度降低。在颗粒相对运动和团聚过程中，存在着声场与颗粒、流体介质与颗粒、颗粒与颗粒间的相互作用，而这些作用又相互耦合，这意味着颗粒的声波团聚过程十分复杂。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。针对声波团聚技术，国内外研究者已展开了较深入的研究。主要的研究方法包括实验研究和数值模拟研究。21实验研究现状211国外声波团聚实验研究进展声波团聚的现象是于1866年被发现的，但直到1927年，物理学家RWWOOD10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。1931年，HSPATTERSON和WCAWOOD11首次对声波团聚进行实验研究，利用压电系统作为超声波的供电源，研究了超声波对氧化镁烟气的影响。该实验观察到颗粒群的团聚作用会形成较大的颗粒物。然而，由于声波团聚能耗较高，此后直到20世纪70年代中期这段时间内，几乎没有声波团聚的实验研究。到70年代，由于对环境的要求提高，超细颗粒物带来的环境污染引起广泛关注，各国也提高了超细颗粒物的排放限值，致使声波团聚又进入了研究热潮。1975年，MICHAELVOLKJR和WILLIAMJMOROZ12利用0051M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。该作者利用分组实验研究了声压级、频率、颗粒质量浓度和停留时间对声波团聚的影响。实验发现增加质量浓度、声压级和停留时间，都会增加团聚颗粒的尺寸，最佳频率为3KHZ。然而，该实验所需的接触时间较长（1050S，最佳接触时间为40S），因此团聚室的尺寸也必须足够大，增加了占地面积和投资，不利用工业应用。1979年，SHAW13等利用相关单分散气溶胶研究了颗粒粒径分布的变化规律，该实验采用了两套声源低频电磁扬声器和高频报警器。实验结果表明流体力学作用对于粒径大于05M的颗粒在10KHZ下的团聚是很重要的。大颗粒的声团聚现象对频率的变化不敏感，而同向团聚作用主要依赖于声源的频率。1980年，KHCHOUETAL14等研究了行波作用下声波导致的湍流和激波作用。该实验利用热膜风速计和FFT数据处理单元研究了声场的频率和强度的影响。实验发现，当声压级大于158DB时，出现湍流现象；大于160DB时，出现激波现象。1983年，CHENG15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。结果发现颗粒的质量分布呈现双峰分布，该结果与同向团聚机理相一致。此外，作者还利用数值模拟的方法研究了声压级、频率、颗粒粒径以及质量浓度对团聚的影响。1987年，RAJIVTIWARY和GERHARDREETHOF16采用声压级为140160DB、频率为23KHZ的声场，对燃煤飞灰气溶胶（浓度130G/M3，平均粒径5M）进行预处理。建立了忽略重力沉降、布朗运动、湍流团聚作用的团聚模型，最终实验结果与模型的预测结果相一致。得到最佳操作参数为声强范围150160DB、频率为L2KHZ及辐射时间为24秒。1993年，TLHOFFMANNETAL17实验研究了频率为44HZ、声压级在160DB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。结果表明额外添加石灰石大颗粒，提高了声波团聚的效率。之后，HOFFMANN研究了在声场中颗粒团聚理论和实验研究，提出音叉团聚（TURINGFORKAGGLOMERATION）和颗粒周围流场不对称效应，在声波尾流效应基础上，结合同向团聚和声波尾流效应，提出了声波团聚核团聚方程式。2000年HOFFMANN对比研究了低频（44HZ）和高频（10KHZ）声场中颗粒的团聚情况。研究结果发现，利用低频声源时，2211M以下的颗粒经过声波团聚长大成为粒径大于11M的颗粒，而且粒径小于2M的颗粒质量浓度降低50；利用声压级为140160DB的高频声源，当停留时间为2S，粒径在1M附近的颗粒浓度减少超过70。综合比较在实际应用中低频声源更有利于颗粒团聚。1999年，JUANAGALLEGOJUAREZ18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。该试验台包括矩形截面的声团聚室，四个高压高频的大功率超声波换能器（400W，1020KHZ）和静电除尘器。实验所用的烟气是由循环流化床燃烧器产生。实验结果表明，经过声波团聚后，烟气中的细颗粒物减少了40。2000年，ITZIARGONZALEZETAL19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BRANDTFREUNDHIEDEMANN方程所建立的夹带系数的表达式进行了对比。本文用CCD高速摄像机可视化研究了粒径79M的玻璃珠在20HZ35KHZ频率范围内的振幅变化。该研究的大量测量结果有助于得出一个详细的声夹带系数的表述。212国内声波团聚实验研究进展国内对于声波团聚技术的研究起步较晚，目前，国内在声波团聚方面研究较深入的单位有浙江大学、华中科技大学、湖南大学、东南大学等。1995年，石油大学黄虹宾等20对冷态下声波团聚微粒的实验做了研究，试图利用声波团聚技术提高旋风分离器捕集微粒的效率。但是由于颗粒测量及稳定声源方面的困难，没有得出有效的结果。2000年，北京理工大学刘淑艳等21研究在冷态实验条件下声场中煤飞灰微粒团聚后的紧固程度和分离效率，声波团聚方法加强了旋风除尘装置对燃煤飞灰的分离效率。该实验发现，在150DB的声压下，声波作用后的微粒使得旋风分离器的分离效率增加34，效果并不明显。分析原因认为团聚颗粒形成的较大颗粒的紧固程度较差，在旋风分离器中很容易破碎。2006年，徐鸿22建立了声波团聚飞灰颗粒实验装置，在气体流量为816M3/H，载尘量530G/M3，声压级120150DB，声波频率1KHZ10KHZ，停留时间35秒范围内，研究声压级、声波频率、停留时间、含尘烟气浓度等参数对煤飞灰微粒声波团聚过程的影响。相对大颗粒而言，小颗粒的团聚现象更明显，最佳团聚发生的频率在29KHZ。2007年陈厚涛等23对燃煤超细颗粒物在低频率高强度声场下团聚清楚效果进行了实验研究，通过对声场的理论分析，设计并建立了燃煤飞灰超细颗粒物声波团聚实验平台。研究发现，低频率高强度声场对亚微米及以下的颗粒物有较好的团聚清除效果。低频率下，随着声场强度的增大，清除效果也提高。2010年，张光学24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。搭建试验台架，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。实验发现低频的团聚效果要比高频的好，最佳频率为14KHZ17KHZ；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。213小结综上所述，早期，前人通过实验研究的方法对声波团聚的研究内容主要是选取一定范围的声压级、频率的声场，然后制备一种亚微米级气溶胶颗粒，通过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，团聚效果的表征也停留在定性的层面，最后找出最佳的团聚条件，以指导工程应用。近期，研究者们通常使用燃煤飞灰作为研究对象，或者是选几种定向制备的气溶胶颗粒作为对比，选定一定范围声压级、频率的声场，同时，对其他影响因素也进行了定量的控制，定量表征了各因素对团聚效果的影响。通过分析研究者的实验结果发现，随着研究的深入，声波团聚的效果也在提高。对于效果较差的实验结果，分析原因认为是由于团聚后的颗粒物的紧密程度不能承受旋风分离器的离心作用，而发生破碎。目前对于声波团聚的实验研究虽然已有不少研究，但是该技术却远未发展成熟，工业应用尚有较大困难。实验研究主要存在以下问题1声波处理的停留时间不能太长，否则团聚室体积过大，占地、投资及运行费用将增加，影响该技术的经济性。2目前大多数实验研究采用的声源都是固定频率的声源、无法调节频率。由于团聚室内的环境恶劣，所以对声源也提出了较高的要求，找到能在高温高压环境下稳定工作的声源也是亟待解决的问题。3实验研究所用的颗粒与工业上排放的颗粒类型差异。张光学24总结了研究者所用的飞灰类型（如下表）。研究者气溶胶声波频率停留时间FAHNOENACL,1M8005000HZ12SVOLK炭黑,011M16KHZ1250SRAJENDRAN氯化铵,052M055KHZ50130SPSL,0085MDOP,012MSHAWPSL,051M低频,13KHZ高频,1020KHZ240SCHENG氯化铵,016023M6003000HZ510S燃煤飞灰,110MHOFFMANN石灰石颗粒,88M44HZ1STIO2,1M乙二醇,0513MCAPERAN燃煤飞灰,16M21KHZ50300SGALLEGOJUAREZ燃煤飞灰,1M10KHZ，20KHZ23S刘淑艳燃煤飞灰,5M0525KHZ418S姚刚燃煤飞灰,3M13KHZ13S陈厚涛燃煤飞灰,0023305M1KHZ徐鸿燃煤飞灰,02200M15KHZ35S22数值模拟研究进展与实验研究相比，数值模拟具有成本低、时间短、能够模拟任何工况、不受实验条件限制等优点。随着计算机技术的发展，数值模拟成了几乎所有课题的重要研究工具之一，声波团聚当然也不例外。1994年，TEMKIN25使用的是均形式的气溶胶声团聚方程组。引入的团聚核函数时忽略了非线性因素和颗粒间作用。利用该模型，结果发现声波频率存在一个最佳值，且对于不同的粒径分布最佳频率值不同。最佳频率值可由颗粒的松弛时间求得。本文的研究内容还包括对于特定气溶胶粒径分布的团聚方程的数值积分运算，研究了声波作用下气溶胶粒径分布变化。1995年，GFUNCKE和AFROHN26利用数值模拟的方法研究了声团聚过程中各操作参数对团聚效果的影响，主要涉及的操作参数为声波频率、声压级和颗粒尺寸。作者提出了描述团聚过程的模型，该模型是基于LAGRANGRIAN方法的。颗粒的运动轨迹是由颗粒间的引力决定的。由于每个时间步的粒子的位置是已知的，所以检测颗粒的碰撞也成为可能，从而可以估计团聚系数。作者将团聚系数与经典BROWNIAN团聚理论和实验结果做了比较。1996年，THOMASLHOFFMANN27提出了一种综合了同向团聚机理和流体力学作用的团聚核函数来模拟声波团聚的过程。为确定再填充因素，定义了“外部”再填充体积，并将该团聚核函数看作是经典同向团聚核函数的延伸。新的团聚核函数就可以将各种形式的颗粒间的效应添加进同向团聚机理中去。1999年，EZEKOYE28将两个声团聚主要的机理增加到气溶胶动力学的区域算法中（MAEROS）。以往的文献中没有将各个机理在预测实验结果时的有效性进行比较。本文列举了详细的实验数据表，为评估基本声团聚机理，作者从建模复杂性的角度讨论了实验数据。然后，对所选的实验结果，详细比较了实验与数值模拟的结果。模拟的结果显示，在有限的实验研究中，声团聚的基本机理是适用的，但还远没有达到完善。2003年，WIFRIESEN和TDABROS29利用常系数蒙特卡罗法模拟了颗粒团聚和破碎过程。当使用GILLESPIE的全局算法来选择团聚或破碎事件时，这种方法的效率会提高。当每一步所包含的算法确定后，团聚和破碎核函数的粒子数量平衡方程（PBES）就可以精确解出，因此数值模拟核函数是可行的。尽管这些核函数使凝结转变量增多，模拟的结果与预测值负荷良好。这种情况下，接触时间小于转变时间TG时，模拟的结果较准确；否则，会有偏差。2006年，SHENG30用等体积蒙特卡罗方法对声波团聚过程进行数值建模，模型包含布朗团聚、同向团聚和流体力学作用机理。该方法是将等体积蒙特卡罗法和修正的GILLESPIE算法联合，并已被证实可以模拟BROWNIAN团聚。本文利用直接蒙特卡罗法（DSMC），证实了经典的MEDNIKOV同向团聚核函数、KONIG流体力学作用核函数及SONG的同向团聚和流体力学作用模型的适用性。实验还发现，单独使用SONG的模型和联合使用SONG和KONIG的模型在一些条件下得到了几乎一致的结果，但适用的范围有限。因此，该模型还需要进一步完善，以便能更加精确的描述两种或两种以上机理。浙江大学热能工程研究所张光学等33采用改进的区域算法对燃煤飞灰声波团聚过程进行了数值模拟，以克服传统区域算法精度低、气溶胶总颗粒体积不易守恒等缺点。与实验数据的对比表明，数值模拟结果基本上能够较好地符合实验结果，仅在粒径较大时由于大颗粒的重力沉降使数值模拟计算值略高于实验值。计算和实验结果均表明，频率对声波团聚的影响很大。对于燃煤飞灰气溶胶，最佳团聚频率为1400HZ左右。随着气溶胶停留时间的增加和声压级的增强，燃煤飞灰声波团聚效果变好221小结数值模拟研究方法的发展是随着声波团聚机理的不断完整而进行的。机理的提出旨在解释团聚过程中的一些现象，当出现解释不通的现象时，就必须提出新的机理对其加以解释。新的机理出现后，再对数值模拟方法进行改进，从而就可以更加精确地描述团聚中出现的一些现象，帮助人们更加清楚地认识团聚机理。由于团聚机理的复杂性，在利用数值模拟方法进行计算时，首先要对真实的团聚过程进行简化，仅考虑一些最重要的机理，而忽略次要因素，建立简化的模型。这样既可以节省计算空间，又可以比较专一地研究主要机理，有助于深入理解该机理。简化模型建立之后，还要做一些必要的假设，这些假设是数值模拟能够进行的必要条件。假设的合理与否也直接影响数值计算结果的正确性。比如假设碰撞之后不发生破碎，颗粒粒径初始分布规律等。经过上述步骤之后，就基本建立了声波团聚的数值计算模型，之后的工作就是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。最后再采用数值计算方法，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。从上述研究者们做的工作中可以看出，数值计算方法主要有三种，分组法（离散法）、矩量法和蒙特卡罗法。三种方法中，分组法相对比较直观、容易理解，张光学等33提出的改进的分组法能达到较高的精度，且能保证颗粒总体积守恒。但是分组法计算量较大，模拟起来耗时。3主要研究内容由于实验研究的诸多不足之处（见213），所以本研究主要采用数值模拟方法。此外，目前电厂脱硫系统会对烟气中的颗粒物特性产生影响。国内近年来也有研究者对这一影响进行了研究。31脱硫后锅炉烟气细颗粒物的变化特性近年来，许多研究者通过实验研究发现，湿法烟气脱硫对烟气中细颗粒物的浓度有一定影响。脱硫洗涤塔会脱除烟气中一部分颗粒物，但是脱硫产物CASO4、MGSO4等会在脱硫后形成一部分新类型的颗粒物；除此之外，脱硫洗涤塔的洗涤作用还会影响细颗粒物的表面特性。王珲，宋蔷等34通过实验研究了湿法脱硫系统对烟气中细颗粒物的脱除作用，下图为实验中采样点的布置图。图6实验采样点分布示意图在WFGD系统入口处飞灰颗粒物呈典型的双峰分布，峰值出现在1和3M处；经过WFGD系统的喷淋洗涤后，烟气中颗粒物的粒径分布峰值向小粒径方向迁移，且细颗粒成分明显增加，中位径由入口处3M减少到出口处的1M，质量比WPM25/WPM10的值由入口的0434显著增加到出口的0764；颜金培，杨林军等35实验研究了氨法脱硫过程烟气中细颗粒物的变化特性，下图为实验系统图。研究表明燃煤产生的细颗粒在ELPI可测范围内呈单峰分布，大多为亚微米级颗粒，平均粒径为007M。氨法脱硫后烟气中细颗粒的数浓度显著增加，烟气中细颗粒的平均粒径也增大为009M；氨法脱硫过程中容易产生大量的气溶胶颗粒，该气溶胶颗粒主要分布于00804M。图7试验系统图接着36，该研究者又对湿法脱硫系统（WFGD）中细颗粒物的变化特性进行了实验研究。WFGD系统对细颗粒脱除效率很低；氨法脱硫后WFGD出口颗粒数浓度明显增加；此外，脱硫前后，细颗粒的形貌特征和元素组分都发生了变化。从上述研究中不难看出，电厂的脱硫系统使得烟气中颗粒粒径的分布以及表面元素的富集都发生了改变。脱硫之后，烟气中超细颗粒物所占的比重明显增加，而电厂通常将除尘系统放在脱硫之前，所以这些由于脱硫而增加的超细颗粒物就会排放到空气中，如果不加以脱除，会带来较大的污染。因此，本研究的研究对象就针对脱硫过程之后烟气中的超细颗粒物。32声团聚室结构优化虽然目前国内众多研究者都对声波团聚技术进行了深入的研究，但对于声团聚室的设计优化所做的工作还不够。李晓明37，研究了常温下燃煤飞灰颗粒在高频声场中的团聚，研究中团聚室是整个试验装置的核心部分，如图所示，团聚室的主体采用不锈钢无缝钢管，长度为1500MM，外径100MM，团聚室内壁刨光。顶部通过法兰和声波换能器紧密连接，可以发出高频的超声波，底部装有反射板，通过调节螺丝可以调节反射板的位置。团聚室垂直放置，在团聚室轴向设了3个声压测点。图8团聚室结构示意图徐鸿38，研究了声波团聚燃煤排放小颗粒的控制方法，搭建了声波团聚飞灰颗粒实验装置，团聚室由内刨光不锈钢管制成，团聚室只在尺寸上发生了改变，而结构上还是沿用上述的简单模型。除上述两位研究者之外，其他研究者对于团聚室结构的设计也大同小异。声波团聚颗粒物的根本是通过声波的作用使烟气中颗粒发生相对运动，从而发生互相碰撞而团聚在一起。因此，对团聚室加以改造，使得团聚室内发生更大尺度的湍流，颗粒间的相对运动自然就增加，颗粒之间的碰撞的概率也会增加。基于此，本文将团聚室的结构优化作为研究内容之一。评价的方法是利用FLUENT等商业软件对团聚室内的流场分布进行模拟，目的是找出最佳的团聚室的结构类型。33声波团聚数值模拟由于前人研究的对象是锅炉直接排放出来的烟气颗粒物，既除尘器之前的颗粒物。所以，之前的声波团聚相当于是在除尘器之前，对超细颗粒物进行预处理。由于本研究的研究对象是针对脱硫系统之后所产生的颗粒物，所以颗粒粒径分布与前人研究有差别。因而，最佳团聚频率、声压级等操作因素也会因此改变。如前所述，脱硫之后的颗粒物的粒径更细，危害更大，所以就很有必要研究声波团聚，找出针对脱硫后的颗粒物的最佳团聚操作条件。本研究的重点内容是对声波团聚颗粒过程进行简化，建立声波团聚模型。采用分组法或者蒙特卡罗数值计算方法对气溶胶动力学方程进行求解，分析各操作参数对颗粒粒径分布的影响。34小结综上所述，本研究主要包括以下研究内容1对声波团聚室进行结构上的优化，利用FLUENT软件对优化后的团聚室进行流场分析。2利用程序编译软件实现声波团聚的数值模拟工作，将声波团聚的主要机理包括进来（主要是同向团聚作用和流体力学作用），模拟的对象是针对脱硫后所形成的细颗粒物，计算方法选择蒙特卡罗法或分组法对气溶胶动力学方程进行求解。4进度安排时间安排工作安排预期目标20137201381阅读相关文献2学习声波团聚机理3准备开题报告1对PM25净化领域形成初步认识2熟悉声波团聚机理（机理的提出、发展历程等）3对以上内容形成文献综述4完成开题报告201392013101参考相关资料，详细学习声波团聚机理2学习数值传热相关知识1尝试建立声波团聚理论模型，为之后的程序编译奠定基础2熟悉并掌握各种离散方法、边界条件的设定等问题2013102013111学习编程软件2对建立的声波团聚模型进行编译1掌握编程软件的用法2将建立的声波团聚模型编译成程序201312201321优化声团聚室结构2利用FLUENT等软件对声团聚室进行流场分析1建立有利于提高声团聚效果的团聚室2完成流场的数值模拟工作20133201351完善数值模拟工作1完成所有模拟工作20136201371撰写毕业设计论文1完成毕业论文的撰写2准备毕业答辩2顺利通过毕业答辩表2时间安排进度表5参考文献1钟秦燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例M北京化学工业出版社2中华人民共和国环境保护部2010年环境统计年报R201213UNITEDSTATESENVIRONMENTALPROTECTIONAGENCYNATIONALAMBIENTAIRQUALITYSTANDARDSNAAQSEB/OL2013611201386HTTP/WWWEPAGOV/TTN/NAAQS/STANDARDS/PM/S_PM_HISTORYHTML4GB30952012,环境空气质量标准S5杨林军燃烧源细颗粒物污染控制技术M第一版北京化学工业出版社,201166NATIONALAERONAUTICSANDSPACEADMINISTRATION（NASA）NEWMAPOFFERSAGLOBALVIEWOFHEALTHSAPPINGAIRPOLLUTIONEB/OL2010920138HTTP/WWWNASAGOV/TOPICS/EARTH/FEATURES/HEALTHSAPPINGHTML7刘含笑燃煤超细颗粒物涡聚并数值模拟D华北电力大学,20118CLARKE,LBANDLLSLOSS,TRACEELEMENTSEMISSIONSFROMCOALCOMBUSTIONANDGASIFICATION1992IEACOALRESEARCH9许世森细微尘粒的预团聚对旋风分离器高温除尘性能影响的实验研究J动力工程,19998,19430931310RWWOODTHEPHYSICALANDBIOLOGICALEFFECTSOFHIGHFREQUENCYSOUNDWAVESOFGREATINTENSITYJPHILOSOPHICALMAGAZINEANDJOURNALOFSCIENCE,19279,SEVENTHSERIESXXXVIII11WCAWOODHPAPHENOMENAINASOUNDINGTUBEJNATURE,1931,127320966712MICHAELVOLKJR,WILLIAMJMOROZSONICAGGLOMERATIONOFAEROSOLPARTICLESJWATER,AIR,ANDSOILPOLLUTION,1975,ISSUE3VOLUME531933413SHAWACOUSTICPARTICLEAGGLOMERATIONDUETOHYDRODYNAMICINTERACTIONBETWEENMONODISPERSEAEROSOLSJJOURNALOFAEROSOLSCIENCE,1979,0021850231732814KHCHOUETALACOUSTICALLYINDUCEDTURBULENCEANDSHOCKWAVESUNDERATRAVELINGWAVECONDITIONJTHEJOURNALOFTHEACOUSTICALSOCIETYOFAMERICA,1980,6681780178915CHENGORTHOKINETICAGGLOMERATIONINANINTENSEACOUSTICFIELDJJOURNALOFCOLLOIDANDINTERFACESCIENCE,1983,19117618716RAJIVTIWARYANDGERHARDREETHOFNUMERICALSIMULATIONOFACOUSTICAGGLOMERATIONANDEXPERIMENTALVERIFICATIONJJOURNALOFVIBRATION,ACOUSTICSSTRESSANDRELIABILITY,1986,210918519117HOFFMANNTLETALEXPERIMENTALANDNUMERICALANALYSISOFBIMODALACOUSTICAGGLOMERATIONJJOURNALOFVIBRATIONANDACOUSTICSTRANSACTIONSOFTHEASME,1993,311523224018JUANAGALLEGOJUAREZAPPLICATIONOFTHEACOUSTICAGGLOMERATIONTOREDUCEFINEPARTICLEEMISSIONSINCOALCOMBUSTIONPLANTSJENVIRONMENTALSCIENCETECHNOLOGY,1999,33213843384919ITZIARGONZALEZETALPRECISEMEASUREMENTSOFPARTICLEENTRAINMENTINASTANDINGWAVEACOUSTICFIELDBETWEEN20AND3500HZJJOURNALOFAEROSOLSCIENCE,2000,31121461146820黄宏宾等声波团聚微粒技术的进展与分析J石油大学学报（自然科学版）,1995,19612613121刘淑艳声波团聚煤飞灰微粒强化旋风分离的试验研究英文JJOURNALOFBEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGYENGLISHEDITION,2000,91616522徐鸿燃煤