2015年8月 电力科技与环保 第31卷第4期 电除尘器内MHD数值理论研究及模拟计算分析 Numerical theory research of MHD in the esP and simulation calculation analysis 沈志昂,刘含笑,郦建国 (浙江菲达环保科技股份有限公司,浙江诸暨311800) 摘要:磁流体力学偏微分方程组(MHD)描述了导电流体在电磁场中运动状态,借助CFD软件,应用MHD模型计算 分析放电极电位分布及颗粒运动轨迹特性,结果表明:空间电荷效应对电位分布有明显的加强作用;粒径越大,颗 粒荷电量越多,受空间电场力作用越明显;湍流对颗粒运动轨迹影响不容忽视。 关键词:MHD;教值模拟;电位分布;颗粒轨迹 Abstract MHD describes the motion state of the conductive fluid in the electromagnetic. Used the CFD,the point potential distribution and particle trajectory characteristics was calculated with the method of MHD, which show that, space charge effect on potential distribution has obvious strengthening effect; the greater the particle size, the more power the particle charged, and the space electric field force is more obvious; turbulence of par ticle trajectory impact should not be overlooked. Key words: MHD; simulation; potential distribution; particle trajectory 中图分类号:X701.2 文献标识码:B 文章编号:1674-8069(2015)04-021-03 0引言 简化电除尘器内放电单元的物理模型,模拟计算二 维放电点电极的电场分布及烟尘颗粒运动特性,旨 随着大气环境污染形势日益严峻,新的《火电在探讨空间电荷效应对电场分布的影响,以及湍流 厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)已执作用对烟尘颗粒运动轨迹的影响。 行,其中重点控制地区,烟尘排放限值为20mg/m3, 且江苏省、浙江省、山西省、广州市等地已出台相关 1数学模型 政策,要求燃煤电厂参考燃气轮机组污染物排放标 基于商业CFD软件,探讨MHD模型机理,求解 准限值。国家发改委、环保部和国家能源局三部委用户自定义标量,即UDS( User Defined Scalar),CFD 联合于2014年9月颁发了《煤电节能减排升级与改软件里统一标准的普通输运方程的积分形式为」 造行动计划(2014-2020年)》,要求东部地区新建 (p④)+(U·V)d=(aΦ)+S(d)(1) 燃煤机组排放基本达到燃气轮机组污染物排放限 值,对中部和西部地区也提出了要求。 式中:等号右边第一项为扩散项,第二项为源项,左 我国燃煤电厂现有烟气除尘技术中,电除尘技边第一项非稳态项,第二顼对流项,其中φ是描述 术长期占据着主流地位,随着排放要求的日益趋严,普通输运数量变量根据求解的输运方程不同,可取 对电除尘器的除尘效率要求也越来越高,其中,前期不同值,相对应不同扩散系数r。表1给出了上式 的工程模拟计算为电除尘器进一步优化流场、电场对应的标准k-e模型及MHD模型方程组 提供了重要的理论基础和数据支持。磁流体力学偏 MHD模块解决了流体和电磁场相互作用的特 微分方程组(MHD)可以计算导电流体在电磁场中殊接口,在MHD模块中,导电流体内产生的感应磁 的运动状态,正确认识电除尘器内,尤其是放电极到场求解采用UDs计算,调用输运方程,并把诱导电 收尘极区域的电场分布和荷电烟尘颗粒的运动特磁场分量作为UDS处理,并以宏定义形式,用普通 性,对于除尘设备的优化设计具有重要意义12- 输运方程求解。电磁场对流体本身的阻尼作用通过 本文借助商业CFD软件,引入MHD计算模块,用户自定义源相来处理 6-10] 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)“燃煤电站PM2s捕集增效优化技术与装备研制”(2013AAO65002)电除尘器内 ＭＨＤ数值理论研究及模拟计算分析 ＮｕｍｅｒｉｃａｌｔｈｅｏｒｙｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＭＨＤｉｎｔｈｅＥＳＰａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ 沈志昂，刘含笑，郦建国 （浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 ３１１８００） 摘要：磁流体力学偏微分方程组（ＭＨＤ）描述了导电流体在电磁场中运动状态，借助 ＣＦＤ软件，应用 ＭＨＤ模型计算 分析放电极电位分布及颗粒运动轨迹特性，结果表明：空间电荷效应对电位分布有明显的加强作用；粒径越大，颗 粒荷电量越多，受空间电场力作用越明显；湍流对颗粒运动轨迹影响不容忽视。 关键词：ＭＨＤ；数值模拟；电位分布；颗粒轨迹 Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＭＨＤｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｍｏｔｉｏｎｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｆｌｕｉｄｉｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ．ＵｓｅｄｔｈｅＣＦＤ，ｔｈｅ ｐｏｉｎｔｐｏｔｅｎｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆＭＨＤ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｔｈａｔ，ｓｐａｃｅｃｈａｒｇｅｅｆｆｅｃｔｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｈａｓｏｂｖｉｏｕｓｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｅｆｆｅｃｔ；ｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ，ｔｈｅｍｏｒｅｐｏｗｅｒｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｃｈａｒｇｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｐａｃｅｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｆｏｒｃｅｉｓｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｏｆｐａｒ ｔｉｃｌｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｉｍｐａｃｔｓｈｏｕｌｄｎｏｔｂｅｏｖｅｒｌｏｏｋｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＨＤ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｏｔｅｎｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｐａｒｔｉｃｌｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ 中图分类号：Ｘ７０１．２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７４－８０６９（２０１５）０４－０２１－０３ ０ 引言 随着大气环境污染形势日益严峻，新的《火电 厂大气污染物排放标准》（ＧＢ１３２２３－２０１１）已执 行，其中重点控制地区，烟尘排放限值为 ２０ｍｇ／ｍ３ ， 且江苏省、浙江省、山西省、广州市等地已出台相关 政策，要求燃煤电厂参考燃气轮机组污染物排放标 准限值。国家发改委、环保部和国家能源局三部委 联合于 ２０１４年 ９月颁发了《煤电节能减排升级与改 造行动计划（２０１４－２０２０年）》，要求东部地区新建 燃煤机组排放基本达到燃气轮机组污染物排放限 值，对中部和西部地区也提出了要求［１］ 。 我国燃煤电厂现有烟气除尘技术中，电除尘技 术长期占据着主流地位，随着排放要求的日益趋严， 对电除尘器的除尘效率要求也越来越高，其中，前期 的工程模拟计算为电除尘器进一步优化流场、电场 提供了重要的理论基础和数据支持。磁流体力学偏 微分方程组（ＭＨＤ）可以计算导电流体在电磁场中 的运动状态，正确认识电除尘器内，尤其是放电极到 收尘极区域的电场分布和荷电烟尘颗粒的运动特 性，对于除尘设备的优化设计具有重要意义［２－５］ 。 本文借助商业 ＣＦＤ软件，引入 ＭＨＤ计算模块， 简化电除尘器内放电单元的物理模型，模拟计算二 维放电点电极的电场分布及烟尘颗粒运动特性，旨 在探讨空间电荷效应对电场分布的影响，以及湍流 作用对烟尘颗粒运动轨迹的影响。 １ 数学模型 基于商业 ＣＦＤ软件，探讨 ＭＨＤ模型机理，求解 用户自定义标量，即 ＵＤＳ（ＵｓｅｒＤｅｆｉｎｅｄＳｃａｌａｒ），ＣＦＤ 软件里统一标准的普通输运方程的积分形式为：  ｔ （ρФ）＋（Ｕ·）Ф ＝（гФ）＋Ｓ（Ф）（１） 式中：等号右边第一项为扩散项，第二项为源项，左 边第一项非稳态项，第二项对流项，其中 Ф是描述 普通输运数量变量，根据求解的输运方程不同，可取 不同值，相对应不同扩散系数 г。表 １给出了上式 对应的标准 ｋ－ε模型及 ＭＨＤ模型方程组。 ＭＨＤ模块解决了流体和电磁场相互作用的特 殊接口，在 ＭＨＤ模块中，导电流体内产生的感应磁 场求解采用 ＵＤＳ计算，调用输运方程，并把诱导电 磁场分量作为 ＵＤＳ处理，并以宏定义形式，用普通 输运方程求解。电磁场对流体本身的阻尼作用通过 用户自定义源相来处理［６－１０］ 。 基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）“燃煤电站 ＰＭ２．５捕集增效优化技术与装备研制”（２０１３ＡＡ０６５００２） ２１ ２０１５年 ８月 电 力 科 技 与 环 保 第 ３１卷 第 ４期