外加液滴条件下固体细颗粒声凝并特性

外加声场激励下固体细颗粒的声凝并在燃烧污染物超低排放中具有应用潜力,添加大粒径液滴有望提高细颗粒声凝并效果.本文从颗粒运动、碰撞、凝并与反弹的动力学过程出发,基于直接模拟蒙特卡罗方法,建立气相中液滴与固体颗粒共存的气-液-固三相体系的声凝并模型,对外加液滴条件下固体细颗粒声凝并的过程和效果开展数值模拟.将模拟结果与实验相对比,验证模型可靠性.在此基础上,探究外加液滴条件下细颗粒声凝并动力学行为,考察外加液滴直径和数目浓度对细颗粒声凝并效果的影响规律.结果表明,外加液滴条件下,固体细颗粒迅速与大粒径液滴凝并,形成液-固混合相颗粒,细颗粒凝并效率显著提升.外加液滴直径和数目浓度是影响细颗粒声凝并的重要因素,随着直径的增大或数目浓度的提高,细颗粒凝并效率增大,而增幅趋于减小.研究结果可为复杂颗粒系统凝并模型的建立提供理论基础,并可为燃烧源细颗粒超低排放提供方法指导.

旋转膜过滤器内部流动特性数值模拟

基于计算流体力学方法对旋转膜过滤器内部层流与湍流场进行研究,利用多孔介质模型描述滤膜的渗透性对流动的影响,开展验证实验,确定滤膜阻力修正系数,并验证模型的可靠性。在此基础上,对过滤器内部流体的速度和压力分布进行数值分析,并探究滤膜转速对滤膜表面跨膜压力和剪切应力的影响。结果表明,滤膜表面流体无量纲角速度沿径向呈现中间区域基本保持不变,旋转轴附近有所降低,滤膜边缘附近略有升高的趋势;流动状态对滤膜上、下方间隙流体无黏核心区的无量纲角速度有重要影响。研究还发现,跨膜压力沿径向趋于下降,同种流动状态下,跨膜压力随滤膜转速的增大而减小;同一滤膜转速下,剪切应力沿径向线性增大,提高滤膜转速,剪切应力显著增加。

双模态颗粒声凝并微观行为的数值模拟

考虑颗粒间多种相互作用机理及颗粒碰撞后的凝并与反弹机制,建立声凝并微观动力学模型,对大粒径外加颗粒及两个邻近的亚微米细颗粒之间的声凝并微观行为进行数值模拟研究。结果表明,双模态颗粒声凝并行为主要表现为外加颗粒仅与一个细颗粒发生凝并,以及外加颗粒先后与两个细颗粒发生凝并,声尾流效应、重力沉降作用是双模态颗粒声凝并的重要机理。随着外加颗粒初始位置与波节间距的增大,外加颗粒与较近细颗粒的平均凝并时间变化很小,两者形成的团聚体与较远细颗粒的平均凝并时间显著缩短;外加颗粒距离波节很近时,其仍能与较近的细颗粒发生凝并。对于外加颗粒与较近细颗粒以及两者形成的团聚体与较远细颗粒的凝并,随着外加颗粒直径的增加,平均凝并时间显著缩短,凝并概率先增加而后趋于恒定。

丁二酸-水纳米气溶胶液滴表面张力的分子动力学研究

表面张力在纳米气溶胶颗粒的吸湿生长研究中具有重要意义,然而现有实验方法不能对其准确测量.本文基于分子动力学方法模拟了丁二酸气溶胶颗粒吸湿生长形成稳定液滴的动力学过程,在此基础上,建立模型计算了液滴的表面张力,进而探究了温度、粒径和丁二酸浓度对纳米液滴表面张力的影响机制.结果表明,随着温度从260 K升高到320 K,液滴内分子间作用力的减弱导致了液滴表面张力的减小,且表面张力的减小程度随丁二酸浓度的增大而增大,究其主要原因在于液滴中丁二酸分子的径向分布随温度和丁二酸浓度变化的差异;随着粒径的增大,液滴表面张力先增大后趋于定值,且粒径对表面张力的显著影响区间随着丁二酸浓度的增大而缩短;研究还发现,丁二酸分子的表面活性导致液滴表面张力随着丁二酸浓度的增大而减小,且减小趋势符合对数函数形式,尤其是在粒径小于6.12 nm时,同时,基于Szyszkowski公式对液滴的表面张力进行了拟合.本文研究成果能为气溶胶颗粒的吸湿生长和相关动力学过程预测理论及模型的改进提供参数依据.

丁二酸气溶胶吸湿生长后结构和界面的分子动力学模拟

基于分子动力学方法模拟了丁二酸气溶胶的吸湿生长现象,研究了温度和水含量对颗粒平衡后结构和界面特性的综合影响机制。结果表明,温度和水含量会影响丁二酸的溶剂化分子数,从而导致颗粒吸湿生长后呈现水包酸的分层结构、混合结构和酸包水的分层结构。颗粒表面丁二酸含量随温度的升高先增加后减少,且随水含量的增加而增加。此外,温度高于260 K时,颗粒表面丁二酸分子的亲水基和疏水基分别朝向颗粒内部和气相。

水汽在燃煤PM_(2.5)表面异质核化特性数值预测

根据Fletcher经典异质核化理论建立数值实验平台,将水汽在不可溶微粒表面异质核化临界过饱和度模拟结果与文献中实验结果进行了对比,二者符合较好。在此基础上,结合燃煤PM2.5物化性质及实测的表面张力与接触角数据,数值预测了水汽及润湿剂溶液蒸气在燃煤PM2.5表面异质核化晶核形成自由能、临界晶核半径、成核速率、临界饱和度。结果表明,添加润湿剂能降低临界晶核形成自由能,减小临界晶核半径,使成核速率急剧增加,成核临界饱和度显著降低,极大地改善了水汽的核化凝结能力,但不同润湿剂的作用效果不同,所选用的5种润湿剂中,以SDS与Silanolw22效果最佳。

喷淋塔内可吸入颗粒物的脱除与凝结增长特性

The efficiency of removing inhalable particles in a conventional spray scrubber was examined by the theory of wetting dust removal,and condensation growth properties of inhalable particles in the supersaturated vapor environments were investigated using a condensation growth dynamic model.The results show that the removal efficiency of inhalable particles is only 16% for the conventional spray scrubber,and vapor condensation is able to cause the submicron particles to grow rapidly into big dusty droplets in very short time.For case with vapor saturation of 1.3 and particle number concentration of 105 cm-3,the fine particles with diameter less than 0.5 μm can shoot to around 0.8 μm in 50 ms.The final diameters of condensation droplets are little affected by the initial particle diameter,but depend mainly on initial vapor saturation and particle number concentration.It is found that the final droplet diameter increases with increase of saturation degree of vapor,while it decreases with increase of particle number concentration.These results could be used as a theoretical basis and technical guidance for practical application of vapor heterogeneous condensation to promote condensation growth and effective removal of inhalable particles.

水汽在细微颗粒表面异质核化数值分析

建立蒸汽在同时含有不溶物质与可溶成分的粗糙颗粒表面核化特性数值实验平台,对水汽异质核化晶核形成自由能、成核速率、成核几率、成核临界饱和度、平衡水汽饱和度进行数值分析.结果表明:可溶性盐含量对成核自由能势垒、成核临界饱和度无影响,但对晶核越过自由能势垒进一步长大过程自由能及平衡水汽饱和度影响显著.用自仿射分形理论描述粗糙颗粒表面,将表面粗糙程度与接触角联系起来,研究发现:颗粒表面粗糙度降低了成核自由能势垒,引起成核速率与成核几率迅速增大,成核临界饱和度降低,而对晶核进一步长大过程中水汽的平衡无明显影响.较高的可溶性盐含量有利于核化液滴的长大;颗粒表面越粗糙,越易于核化.

喷淋洗涤条件下水汽饱和度分布特性

为在脱硫喷淋塔中借助蒸汽相变原理促进PM2.5凝结长大,需要在塔内建立适宜的过饱和水汽环境。基于此,建立喷淋洗涤条件下气液两相热质传递模型,系统研究了操作参数对塔内饱和度分布特性的影响规律。结果显示,通过降低喷淋液温度、增加塔进口烟气含湿量,以及在喷淋区上方添加蒸汽均能够在塔内建立过饱和水汽环境;采用较大的液气比、较小的喷淋液滴直径有利于水汽饱和度的提高。获得了改变操作参数在脱硫喷淋塔内建立过饱和水汽环境的措施,对实际的脱硫除尘工艺的设计和运行具有指导意义。

驻波声场中细微颗粒凝并的数值模拟

为揭示燃烧源细微颗粒的声凝并机理与效果,采用数值模拟方法对水平驻波声场作用下细微颗粒的运动和凝并特性进行研究.通过实验对细微颗粒运动特性数值模拟结果进行验证,基于多重蒙特卡罗(mu lti-MonteCarlo)方法的硬球模型研究细微颗粒之间的凝并.结果表明:在极短时间内,颗粒粒径分布发生显著改变,团聚现象明显;颗粒在声场中的停留时间对团聚的发生有重要影响;增大细微颗粒浓度,团聚发生强烈;采用高强度声场,是提高团聚效果的有力措施.

外加声场对增加PM_(2．5)碰撞几率的数值模拟研究

采用数值模拟方法对细粒子(PM2.5)在平面行波声场作用下的碰撞几率进行研究,基于直接模拟蒙特卡诺 (DSMC)方法的硬球模型研究PM2.5之间的碰撞。通过统计计算区域内PM2.5在一定时间内的碰撞次数,发现在外加声场作用下,PM2.5之间的碰撞几率与PM2.5浓度、声场强度及声波频率有显著关系。在声场保持不变的情况下,碰撞几率随PM2.5浓度的增大而增大;在PM2.5浓度和声波频率保持不变的情况下,碰撞几率随声场强度的增加而增大;在 PM2.5浓度和声场强度保持不变的情况下,碰撞几率随声波频率的增大,先增大后减小,存在一个使碰撞几率最大的最佳频率值。文章给出了碰撞几率与PM2.5浓度、声场强度、声波频率的关系曲线。

蒸汽相变凝结对PM_(2.5)粒径分布的影响

基于多分散颗粒凝结增长理论,进行不同操作条件(停留时间、饱和度、温度)和PM2.5特性(粒度、分散度)下相变凝结过程中颗粒粒径分布的研究,分析各参数对颗粒相变凝结增长效果的影响。结果表明:随着颗粒在过饱和蒸汽环境中停留时间的延长,颗粒粒径范围迅速变窄,颗粒由初始条件下多分散分布的微粒转变为单分散分布的粒径较大的含尘液滴;饱和度越大,相变凝结的推动力就越大,颗粒增长更为迅速;相同饱和度下,较高的温度能够促使PM2.5成长为粒径更大的含尘液滴。研究发现,由于相变凝结后颗粒粒径趋于一致,初始PM2.5粒径分布(粒度、分散度)对颗粒增长效果影响很小。

竖直振动管中颗粒毛细效应的离散元模拟

将一根细管插入填充有颗粒的静止容器中并对管施加竖直振动,颗粒将在管内发生上升运动,并最终稳定在一定高度,这一现象与液体毛细效应类似,被称为颗粒毛细效应.为探究颗粒毛细效应过程中伴随的颗粒尺度动力学行为及机理,基于离散元方法建立颗粒运动模型,对颗粒毛细效应动力学过程和特性开展数值模拟研究.模拟再现了文献中实验得到的颗粒毛细效应全过程,给出了管内颗粒柱高度随时间的演变规律,结果表明,受到颗粒系统参数的影响,本模拟条件下颗粒毛细效应过程呈现单周期上升、倍周期上升和倍周期稳定三个阶段,在倍周期上升阶段颗粒柱上升速度逐渐减小,平缓过渡到稳定阶段.在此基础上,分析了管内颗粒速度场和填充率分布随时间的演变特性,揭示了颗粒毛细效应过程中由容器传输到管内的颗粒的占比分布.研究发现,管内不同高度位置颗粒的运动并不同步,随着管的振动,管内出现速度波,速度波的传播引起管内颗粒出现膨胀和压缩交替的情况,从而管内颗粒填充率随时间发生周期性波动;在上升阶段,越接近管壁由容器传输到管内的颗粒占比越大,在稳定阶段,管内上层颗粒的对流引起容器传输到管内的颗粒占比发生反转.

蒸汽在细微颗粒表面异质核化研究进展

总结了蒸汽在细微颗粒表面异质核化理论的发展与实验研究状况,将异质核化理论归纳为经典异质核化理论、密度函数理论、分子动力学MonteCarlo理论,分析了这3种理论的特点。结合蒸汽相变技术在控制燃烧源PM2.5排放上的应用,指出进行过饱和蒸汽在燃烧源PM2.5表面异质核化研究的意义与方法。

过滤除尘器细微通道的微观结构分析及数值模拟方法研究

对移动颗粒层过滤除尘器和陶瓷过滤除尘器的除尘机理及细微通道的微观结构进行了分析,基于过滤除尘器细微通道几何形状的复杂性,采用格子气和格子Boltzmann方法对通道内气固两相流动和细微通道内的气固两相流动进行了模拟。研究结果表明,格子气和格子Blotzmann方法能够很好地用于模拟复杂几何形状细微通道内流体流动特性。

热能工程实践教学改革的探索

以培养创新创业人才为目标,对热能工程实践教学平台构建及组织实施进行研究和改革。创建了分层次、模块化的热能工程实践教学体系,实施了开放实验室与网上预约相结合的教学组织模式,开展了启发式、讨论式和参与式教学的探索。教学实践表明,学生的工程实践能力、自主学习能力、创新思维、创新能力等综合素质得到了明显提升。

基于声凝并的PM_(2.5)脱除技术研究进展(Ⅰ):声凝并预处理技术

声凝并是控制PM_(2.5)排放的重要预处理措施,经声凝并后颗粒粒径分布向大粒径方向迁移,从而促进后续除尘装置将颗粒脱除.回顾了国内外声凝并技术的研究进展,分析了目前声凝并技术研究存在的问题,指出今后对PM_(2.5)声凝并脱除技术的研究重点和方向,旨在为经济、高效的燃烧源PM_(2.5)排放控制技术的研究和开发提供参考.

基于声凝并的PM_(2.5)脱除技术研究进展(Ⅱ):声凝并与其他机制联合作用

声凝并机理单独作用对于粒径细微的PM_(2.5)脱除效率有限,并且提高颗粒声凝并脱除效率需要以高能耗为代价.为经济、高效地控制PM_(2.5)的排放,声凝并与其他机制联合作用下PM_(2.5)脱除技术得到发展.介绍了声凝并与其他机制(如电场、外加颗粒、蒸汽、湍流射流、离心力)联合作用下PM_(2.5)凝并脱除技术的理论依据、研究现状、存在的问题.基于此,指出今后对基于声凝并的联合作用下PM_(2.5)脱除技术的研究重点和方向.

论“气液、气固两相流动及实验技术”研究生全英文课程建设

研究生全英文课程建设是我国高等教育国际化的必然选择。为使全英文课程适应于国际化人才培养和国家发展战略的需求,必须运用新的理念指导课程建设的各个环节。结合承担研究生“气液、气固两相流动及实验技术”全英文课程建设项目的实践经历,从课程网站建设、教学方法及教学问题的对策、考核方法革新、师资队伍建设四个方面,提供了建设高质量全英文课程的具体措施。课程建设取得良好成效,可为其他研究生全英文课程建设和教学改革提供参考和借鉴。

声波对悬浮PM_(2.5)作用的数值研究

采用数值方法对平面声波场中悬浮PM2.5的受力进行了研究,探讨了在声波作用下PM2.5的运动速度与运动轨迹,为采用声波脱除PM2.5的可能性做了机理上的探讨。研究结果发现,在声音频率10000Hz、声强度为1W/m2 条件下,声波对空气中悬浮PM2.5有显著作用,悬浮PM2.5在声场中作周期性变速运动,其运动方向和轨迹与PM2.5在声场中的初始位置有重要关系,存在顺声波而下、逆声波而上和原地振动不同情况。