·156 工程科学学报，第42卷，第2期 1 数值计算模型 样品第1次测试 样品第2次测试 11气固两相流模型 样品第3次测试 平均值 对于内部气-固两相流动进行数值模拟需先 4 计算气相场.可采用标准k-ε标准模型、稳态、及 不可压缩模型进行数值模拟.控制方程1如下： 7.(pey)=0 (1) V.(spvv)=-sVp+V.(sT)+psg-F (2) 0 0.01 0.1 10 1001000 式中，p为流体的密度，kgm3;ε为体积分数项；v是 d/um 流体的速度，ms;p为计算单元的压力，N;t为流 图1钢铁厂排放粉尘的动态光散射技术测试结果 体黏附性应力张量；g为重力加速度，ms子；F为网 Fig.1 DLS test results of dust emission from steel works 格单元内受到的综合作用力，N 7000 颗粒的运动平衡方程表达式如下： 6000 8(Pp-P) CaC03(29.12) dVp=Fp(v-vp)+ +FM+FB+Fot (3) 5000 Pp 照4000 式中，。为颗粒运动速度，ms:FD为流体的曳 00 Fe04(35.42) Fez03(39.32) 力，N;pp为颗粒的密度，kgm3;FB为颗粒所受到 2000 Fe(44.14) 的布朗力，N;FM为通过UDF编程在高梯度磁场 1000 中以及磁性纤维产生中所受的磁场力，N.F指的 10 20 30 405060 708090 是在气固两相流中受到压力梯度力、虚拟质量 28M°) 力、Basset力、Magnus力、Saffman升力等一系列 因2钢铁厂排放粉尘的X射线衍射图谱 的作用力但是在单纤维捕集颗粒模型中，由于 Fig.2 XRD pattern of dust emission from steel works 各力在适用条件下对颗粒的影响很小，为了简化 图3(d)为P84纤维，从图中可以清晰的看出纤维 计算，均可忽略不计 呈现出圆柱形结构，为了达到更好的磁场叠加效 1.2粉尘特性 果，因此选用P84纤维为依据建立高梯度磁场下 钢铁厂排放粉尘的动态光散射技术(dynamic 单纤维捕集颗粒的模型.同时，磁性纤维在水基环 light scattering,.DLS)测试结果如图1所示，粉尘中 境制备负载时，铁酸钴纳米粒子等铁氧体很容易 含有直径d,小于等于2.5um的颗粒，因此钢铁等 将水中的羟基带到样品中，表面的活性基团 有色金属行业利用现有的除尘技术无法满足日趋 一OH上的氧原子和P84纤维上的C=O构成可p 严格的环保要求.图2给出了钢铁厂排放粉尘的 π共轭，导致O=C一O的体系稳定，在共沉反应时 X射线衍射图谱，CaCO3含量高是由于转炉炼钢 更容易在纤维表面负载 中用作造渣剂的Ca0在高温下会和CO2生成 1.4边界条件 CaC03,当衍射角20-35.42°和20=44.14时分别出 图4(a)为P84纤维的电镜扫描图，根据电镜 现了FeO4和Fe的特征峰，说明钢铁厂排放的粉 扫描结果，并经过简化创建了图4(b)的单纤维结 尘含有FeO4和Fe等成分，具有一定的铁磁性，容 构模型.具体边界条件设置如下：计算域入口边界 易被磁化.因此可以根据钢铁行业粉尘含有铁磁性 设为速度进口，出口边界设为压力出口：在模型计 的特性，利用铁磁性颗粒在磁场中磁化后会被磁 算中，粉尘颗粒简化为球形颗粒，颗粒的磁化率 性纤维吸引的优势来增强纤维捕集PM25的性能. Kp=0.025,a为填充率，是纤维横截面面积与假想控 1.3纤维的扫描形貌 制面的比值，根据Davies结合的实验结果，a=d,? 图3分别为PPS、FMS、PSA、P84等4种纤维 在0.6%~30%的范围内都是正确的7，当入口高 滤料的电镜扫描图像.由图可知，4种滤料中纤维 度h=5.3d时，则填充率a=0.035,因此模型的长、 分布以及结构是不同的.高梯度磁场的形成则是 宽、高分别定为240、120和80um是可行的 在均匀的背景磁场中填充饱和聚磁介质以产生 磁性纤维可直接通过纺丝或基体纤维的物 高磁场梯度磁场，而聚磁介质以圆柱形为主2. 理、化学改性制备，且纤维直径d=l5m.计算区1    数值计算模型 1.1    气固两相流模型 对于内部气−固两相流动进行数值模拟需先 计算气相场. 可采用标准 k-ε 标准模型、稳态、及 不可压缩模型进行数值模拟. 控制方程[13] 如下： ∇ ·(ρεν) = 0 （1） ∇ ·(ερvv) = −ε∇p+∇ ·(ετ)+ρεg− F （2） ρ ε τ 式中， 为流体的密度，kg·m−3 ； 为体积分数项；v 是 流体的速度，m·s−1 ；p 为计算单元的压力，N； 为流 体黏附性应力张量；g 为重力加速度，m·s−2 ；F 为网 格单元内受到的综合作用力，N. 颗粒的运动平衡方程表达式[14] 如下： dvp dt = FD ( v−vp ) + g ( ρp −ρ ) ρp + FM + FB + Fot （3） 式中， vp 为颗粒运动速度，m·s−1 ；FD 为流体的曳 力，N；ρp 为颗粒的密度，kg·m−3 ；FB 为颗粒所受到 的布朗力，N；FM 为通过 UDF 编程在高梯度磁场 中以及磁性纤维产生中所受的磁场力，N. Fot 指的 是在气固两相流中受到压力梯度力、虚拟质量 力、Basset 力、Magnus 力、Saffman 升力等一系列 的作用力[15] . 但是在单纤维捕集颗粒模型中，由于 各力在适用条件下对颗粒的影响很小，为了简化 计算，均可忽略不计. 1.2    粉尘特性 钢铁厂排放粉尘的动态光散射技术（dynamic light scattering， DLS）测试结果如图 1 所示，粉尘中 含有直径 dp 小于等于 2.5 μm 的颗粒，因此钢铁等 有色金属行业利用现有的除尘技术无法满足日趋 严格的环保要求. 图 2 给出了钢铁厂排放粉尘的 X 射线衍射图谱，CaCO3 含量高是由于转炉炼钢 中用作造渣剂 的 CaO 在高温下会 和 CO2 生 成 CaCO3，当衍射角 2θ=35.42°和 2θ=44.14°时分别出 现了 Fe3O4 和 Fe 的特征峰，说明钢铁厂排放的粉 尘含有 Fe3O4 和 Fe 等成分，具有一定的铁磁性，容 易被磁化. 因此可以根据钢铁行业粉尘含有铁磁性 的特性，利用铁磁性颗粒在磁场中磁化后会被磁 性纤维吸引的优势来增强纤维捕集 PM2.5 的性能. 1.3    纤维的扫描形貌 图 3 分别为 PPS、FMS、PSA、P84 等 4 种纤维 滤料的电镜扫描图像. 由图可知，4 种滤料中纤维 分布以及结构是不同的，高梯度磁场的形成则是 在均匀的背景磁场中填充饱和聚磁介质以产生 高磁场梯度磁场，而聚磁介质以圆柱形为主[12， 16] ， 图 3（d）为 P84 纤维，从图中可以清晰的看出纤维 呈现出圆柱形结构，为了达到更好的磁场叠加效 果，因此选用 P84 纤维为依据建立高梯度磁场下 单纤维捕集颗粒的模型. 同时，磁性纤维在水基环 境制备负载时，铁酸钴纳米粒子等铁氧体很容易 将水中的羟基带到样品中 ，表面的活性基团 ―OH 上的氧原子和 P84 纤维上的 C＝O 构成可 p- π 共轭，导致 O＝C―O 的体系稳定，在共沉反应时 更容易在纤维表面负载. 1.4    边界条件 χp 图 4（a）为 P84 纤维的电镜扫描图，根据电镜 扫描结果，并经过简化创建了图 4（b）的单纤维结 构模型. 具体边界条件设置如下：计算域入口边界 设为速度进口，出口边界设为压力出口；在模型计 算中，粉尘颗粒简化为球形颗粒，颗粒的磁化率 =0.025，α 为填充率，是纤维横截面面积与假想控 制面的比值，根据 Davies 结合的实验结果，α=dp 2 /h 2 在 0.6%～30% 的范围内都是正确的[17] ，当入口高 度 h=5.3df 时，则填充率 α=0.035，因此模型的长、 宽、高分别定为 240、120 和 80 μm 是可行的. 磁性纤维可直接通过纺丝或基体纤维的物 理、化学改性制备，且纤维直径 df=15 μm. 计算区 0.01 0.1 1 10 100 1000 0 1 2 3 4 5 6 体积加权/% dp /µm 样品第1次测试 样品第2次测试 样品第3次测试 平均值 图 1 钢铁厂排放粉尘的动态光散射技术测试结果 Fig.1 DLS test results of dust emission from steel works 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Fe2O3 (39.32°) Fe (44.14°) CaCO3 (29.12°) 相对强度 2θ/(°) Fe3O4 (35.42°) 图 2 钢铁厂排放粉尘的 X 射线衍射图谱 Fig.2 XRD pattern of dust emission from steel works · 156 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期