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前燃煤电站控制烟尘排放的主流装置是干式电除尘器，以质量计的除尘效率可以达到99.5%以上，但对超细颗粒物的捕获率相对较低，以颗粒数计仍有占飞灰总数90%以上的超细颗粒物进入大气中。在传统的电除尘器之前增设超细颗粒团聚装置是降低火电厂PM2.5排放的有效措施，国内外学者针对不同团聚机理做了大量研究，并开展相关实验[1-5]。
按机理不同可将凝聚方法分为：湍流凝聚、电凝聚、化学凝聚、声波凝聚、磁凝聚等，其中湍流凝聚结构简单，性能可靠，凝聚效果好，具有较好的商业应用前景[6]。在湍流凝聚实验中，给料的均匀性、连续性、稳定性直接影响到实验结果的准确性，本文通过数值方法分析实验台不同文丘里管管径工况下烟道内烟尘流动特性和颗粒质量浓度分布，为试验台的优化设计以实现颗粒在湍流凝聚器前的均匀分布提供了理论基础。
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1 几何模型及边界条件
原试验台架给料文丘里管窄管管径为500mm，另外分别选取管径为400mm、300mm为研究对象，结构简图如图2所示。采用数值计算的方法分析不同管径条件下烟尘颗粒的分布均匀情况，为使计算精确，网格划分均采用结构化网格，经局部调整优化，将网格质量调整至最佳效果，网格划分如图2所示，网格质量检测报告如图3所示。边界条件设置如表1所示，考虑颗粒与连续相耦合作用，选用随机涡模型计算连续相对颗粒相的作用，尽量同实验实际条件吻合。计算时间步长为0.001s，每个时间步长计算方程最多迭代20次。
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2 数学模型
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烟道中煤灰颗粒的体积分数小于10%，采用拉格朗日法来描述烟尘颗粒与连续相的运动较为准确，将两者作为惰性离散相颗粒处理，即选用DPM模型来跟踪颗粒运动【7-9】。颗粒相的作用力平衡方程在直角坐标系下的形式为：
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3 计算结果及分析
在非定常工况下，选用LES计算湍流流场，用DPM模型计算颗粒相运动轨迹，计算得到2s时烟道内流场及颗粒分布数据如下图所示。图5为不同管径条件下文丘里管各截面的速度及湍流强度云图，分别取截面为：y=0m、z=0m、x=3、4、5、6、7m。文丘里管窄管处速度最大，且管径越小速度越大，经扩张管后速度迅速降低，形成强烈扰流，并存在明显扰流涡街，管径越小，扩张程度越大，速度扰流越明显，湍流强度值也越大。沿x方向各个截面速度及湍流强度分布极不均匀，且均匀性沿x轴方向有所提高，这是由于湍流强度沿x方向不断耗散所致。
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图4 速度及湍流强度云图
分别取x=3、4、5、6、7五个截面为研究对象，径进一步后处理，显示各截面颗粒相质量浓度云图如图6所示，各截面颗粒浓度分布极不均匀，大部分处于低浓度区，高浓度区域小于1/3，且最高浓度值仅集中在极小的区域，沿x轴方向均匀性有所提高，浓度最高值减小，分布区域增大，且由于重力原因，高浓度区位置逐渐下降。管径减小，颗粒分布的均匀性有所提高，400mm管径均匀性明显好于500mm工况。
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图7、图8、图9分别为各管径工况条件下颗粒质量浓度的等直面图，此处分别取1kg/m3、0.1kg/m3、0.01kg/m3、0.01kg/m3四个浓度等直面图，发现高浓度颗粒团主要集中在给料管内，且文丘里管扩散效果较差，大部分区域颗粒浓度较低，大部分区域的浓度值为0.01kg/m3。管径减小，扩张管处颗粒的扩散效果越好，500mm管径时，颗粒主要在扩张管处的上端，而400mm管径时，可以扩散到大部分区域。
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图10为不同管径工况下各截面颗粒浓度值的均方差曲线，均方差是表征数据均匀性的有效参数，经过比较发现各工况的颗粒均匀分布能力为：400mm＞300mm＞500mm，并不是管径越小颗粒分布均匀性就越好，这是因为管径越小，文丘里管所产生的湍流强度和速度扰流程度越大，湍流既起到了物料掺混作用，使颗粒均匀性提高，又会产生强烈的浓淡分离现象，引起颗粒局部富集，管径为300mm时候，通道内速度分布极不均匀，此时湍流引起的的颗粒局部富集效应大过湍流掺混作用，因此，颗粒均匀性反倒比400mm管径时略差。因此选择合适的文丘里管管径对于颗粒给料的均匀分布具有重要意义。
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图11、图12分别为y=0时截面的颗粒浓度和全压云图，我们分别取t=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、1、1.2、1.5、1.8s时刻数据结果。物料在下料管内浓度随着时间变化明显，浓淡交替，这是由于文丘里管窄管处流速较快，同下料管之间存在明显的总压压差，此时，物料想顺利进入文丘里管，必须克服压力梯度力做功，因此，物料首先在下料管内聚集，等物料团总体重力大于压力剃度力时，物料团才进入文丘里管，因此导致此处物料不连续，浓淡不均。
4 结论
本文运用数值方法，采用LES模型计算湍流流场，采用DPM模型计算颗粒运动，分析PM2.5湍流凝聚中试试验装置中文丘里管给料的均匀性，得到了不同文丘里窄管管径工况和不同时刻条件下各截面处颗粒浓度分布云图及数值的均方差曲线，结果表明：
1、文丘里管扩张管处速度扰流明显，且沿x轴不断耗散；
2、各截面颗粒浓度分布极不均匀，大部分处于低浓度区，高浓度区域小于1/3，且最高浓度值仅集中在极小的区域，沿x轴方向均匀性有所提高，浓度最高值减小，分布区域增大，且由于重力原因，高浓度区位置逐渐下降；
3、经过比较发现各工况的颗粒均匀分布能力为：400mm＞300mm＞500mm，并不是管径越小颗粒分布均匀性就越好，这是因为管径越小，文丘里管所产生的湍流强度和速度扰流程度越大，湍流既起到了物料掺混作用，使颗粒均匀性提高，又会产生强烈的浓淡分离现象，引起颗粒局部富集；
4、文丘里管窄管处流速较快，同下料管之间存在明显的总压压差，此时，物料想顺利进入文丘里管，必须克服压力梯度力做功，因此，物料首先在下料管内聚集，等物料团总体重力大于压力剃度力时，物料团才进入文丘里管，因此导致此处物料不连续，浓淡不均。
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（来源：企业供稿）
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