细颗粒在粗糙管壁管道内运动特性的研究

林达平，周 涛，李精精，杨 旭，汝小龙

（华北电力大学核热工安全与标准化研究所，北京102206）

细颗粒广泛存在于工业生产和人们的日常生活中.工业生产排放的污染物和机动车排出的尾气中含有大量细颗粒物，直接危害着人体健康.对于高温气冷堆，石墨材料由于摩擦等相互作用会产生石墨粉尘颗粒，这些石墨粉尘颗粒可能在一回路表面和流动死区沉积，影响管道的换热，并且对设备的维护和检修带来不便［1-3］.对于超临界水冷堆，在普通事故工况和严重事故工况时，所产生的具有放射性的细颗粒可能会给环境和公众带来严重危害.湍流流动时，细颗粒在管道中主要发生热泳沉积和湍流沉积.周涛等［4-5］对矩形管道边界层内亚微米颗粒的热泳沉积规律进行了实验研究，并对湍流环形通道热泳脱除可吸入颗粒物技术进行了研究，通过合理的结构设计，提高了可吸入颗粒物的脱除效率.Healy等［6］通过实验研究了在跨流温度变化情况下湍流环形流中细颗粒的沉积规律，并重点对热泳作用进行了理论分析.Lee等［7-9］研究了细颗粒在管道内湍流流动中的热泳沉积现象.彭威等［10-12］研究了高温气冷堆石墨粉尘的湍流沉积率和热泳沉积率随功率的变化.粗糙管壁会影响管道内的流场分布、温度分布以及管道的传热特性，从而影响颗粒的运动和沉积.Kussin等［13］研究了颗粒在竖直粗糙壁面管道内的运动和湍流特性，发现壁面粗糙度会影响颗粒的速度.Eskin等［14-16］研究了管壁对细颗粒流动的影响，包括管壁粗糙度对其的影响.张夏等［17］研究了壁面粗糙度对水平后台阶气固两相流的影响，结果表明壁面粗糙度会影响颗粒的速度，对不同粒径颗粒运动影响的强弱不同.

目前，对于粗糙度的研究主要集中在粗糙度对流动的影响，所涉及的细颗粒也为毫米量级，而有关粗糙度对微米量级细颗粒的热泳沉积和湍流沉积的影响研究较少.微米量级细颗粒的脱除是目前颗粒脱除领域的一个难点.管道内气固两相流的研究在化工、石油和电力生产等领域都有着广泛的应用.因此，研究细颗粒在粗糙管壁窄通道内的运动特性具有重要意义.笔者拟研究细颗粒在粗糙管道内的运动沉积规律，所采用的管道是前人研究较少的细小窄通道，通过窄通道上的细颗粒受到的热泳沉积和湍流沉积来脱除微米量级细颗粒，从而达到净化除尘的效果.

1 研究对象

选用1 000mm×20mm×20mm 的窄矩形通道作为研究对象，如图1所示.

图1 窄矩形通道示意图Fig.1 Structural diagram of the narrow rectangular channel

通道竖直放置，细颗粒和空气两相沿z轴正方向流动，从窄通道的下端口流入，上端口流出.管壁温度低于两相流温度，在管道内形成温度差.采用Fluent软件进行模拟，管道内壁设置粗糙度，另外设定光滑内壁作为对照组.

2 计算方法

2.1 计算参数

细颗粒在管道内流动的主要参数见表1.表1中，流体流速的设定借鉴了Matsusaka等［18］的实验条件.在实际情况下，利用抽气机将气固两相流抽到窄通道内进行颗粒脱除，由于横截面突然减小，流速急剧增大，因此流速的设定满足工业气固输运实际情况范围.选取距进口0.3m 处的垂直于两相流流动方向的正方形截面进行分析.

表1 细颗粒流动参数1）Tab.1 Main technical parameters of fine particles in the channel

2.2 计算模型

2.2.1 热泳模型

悬浮于流场中的细颗粒会受到一个由于温度梯度造成的与温度梯度反向的力，即热泳力.热泳力Fth可用下式表示：

式中：μ为气体动力黏度，Pa·s；υ为气体运动黏度，m2／s；dp为颗粒当量直径，m；Cs＝1.17，为热滑移系数；Cm＝1.14，为滑移边界条件中动量交换系数；Ct＝2.18，为温度跳跃边界条件中动量交换系数；Kn为克努森数；k为气体导热系数，W／（m·K）；ΔT为气体在x方向上的温度梯度，K／m；T为气体绝对温度，K.

2.2.2 湍流模型

在模拟过程中，湍流模型选用了颗粒群模型.颗粒群模型是一种颗粒随机输运模型，这个模型运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道的湍流扩散.通过计算颗粒的系综平均运动方程得到颗粒的某个“平均轨道”.颗粒群以点源形式或以一个初始直径状态进入流动区域.当其穿过流动区域时，颗粒群由于湍流扩散作用而发生膨胀.颗粒在此颗粒群的位置由概率密度函数确定，而概率密度函数的期望值正处于颗粒群轨道的中心.

2.3 计算流程

模拟过程采用离散相模型.其中，细颗粒作为离散相，空气作为连续相，相互混合后流入研究段中.Fluent中离散相模型遵循欧拉-拉格朗日方法.空气被处理为连续相，直接求解时采用纳维-斯托克斯方程；而离散相是通过计算流场中大量细颗粒的运动得到的.模拟的计算流程见图2.

图2 计算流程Fig.2 Calculation flow chart

2.4 敏感度分析

在相同条件下，分别计算网格节点数为28 000、480 000和640 000的模型，进行网格敏感性分析.与其他2种网格相比，节点数为28 000的模型的计算结果存在严重失真现象，而节点数为480 000和640 000的模型的计算结果相差不大.因此，使用网格节点数为480 000的模型进行计算.

3 计算结果及分析

3.1 温度场

图3给出了光滑管壁和粗糙管壁窄矩形通道的温度分布.模拟时设定管壁的温度为恒定300K.由图3可知，管壁中间的温度较高，靠近管壁处由于壁面的冷却，温度逐渐降低.对比图3 中2 条曲线可知，粗糙窄矩形通道在管道中间的温度较低，在靠近管壁处的温度梯度增大，可知粗糙的管壁改变了管道内的温度分布.粗糙度促进了流体的搅浑，增强了流体与管壁的换热，使得管道中间温度较低，并且管道内温度分布较为平缓，也就造成了粗糙度区域和管壁处的温度梯度增大.

图3 光滑管壁和粗糙管壁窄矩形通道的温度分布Fig.3 Distribution of temperature field respectively in smooth and rough narrow channel

3.2 湍流强度

图4给出了光滑管壁和粗糙管壁窄矩形通道的湍流强度分布.模拟时设定管壁温度为恒定300K.湍流强度是衡量湍流强弱的一个标准.从图4可以看出窄矩形通道中湍流强度在截面上的分布.当设定了管壁粗糙度后，由于粗糙度的影响，靠近管壁处的湍流强度增大.这是因为粗糙元的存在增强了管壁附近的流动扰动，从而增强了管壁处的湍流作用.

图4 窄矩形通道的湍流强度分布Fig.4 Distribution of turbulent intensity in narrow channel

3.3 速度场

图5给出了光滑管壁和粗糙管壁窄矩形通道的径向速度场分布.细颗粒在管道内受到热泳效应和湍流效应影响，从而向管壁运动.从图5可以看出，细颗粒的径向速度在靠近管壁处存在极值.这是因为在靠近管壁附近，细颗粒受到了热泳效应和湍流效应的影响，具有指向壁面的加速度，而在靠近管壁处细颗粒受到管壁黏性力的影响，热泳力和黏性力的共同作用使得在靠近管壁处细颗粒速度达到极值.另外，管壁左右两侧的速度分布不是绝对对称，这主要是因为细颗粒受到了随机的湍流效应的影响.对比图5（a）和图5（b）可以看出，在相同条件下，粗糙管壁通道内细颗粒的径向速度有所增大，并且分布更加不对称，这是因为在靠近管壁位置，粗糙管道的温度梯度更大，并且粗糙管壁引起的湍流增强.

图5 窄矩形通道的径向速度场分布Fig.5 Distribution of radial velocity in narrow channel

3.4 颗粒速度

为了表征粗糙管壁对颗粒运动的作用，利用Fluent软件将颗粒物的x轴速度和y轴速度导出，并进行数据处理，处理结果见表2.

表2 细颗粒速度数据处理Tab.2 Velocity data analysis of fine particles

从表2可以看出，粗糙管壁情况下，细颗粒的x轴速度平均值和y轴速度平均值均比在光滑管壁情况下大，说明粗糙管壁对细颗粒速度有促进作用，增强了细颗粒向管壁处的运动趋势.方差体现了速度的波动，由表2还可以看出，粗糙管壁情况下细颗粒的x轴速度和y轴速度的波动均比光滑管壁情况下大，这是因为粗糙管壁的湍流作用较强导致的.

3.5 质量浓度场

图6给出了光滑管壁和粗糙管壁窄矩形通道内的细颗粒质量浓度分布.从图6可以看出，细颗粒质量浓度在管道中间部分及靠近管壁处都存在极值.这是因为受到热泳效应和湍流效应的影响，细颗粒产生向管壁运动的速度，从而使得颗粒物沉积到管壁上，并在靠近管壁处富集.对比图6（a）和图6（b）可以看出，粗糙管壁情况下靠近管壁处的细颗粒质量浓度比较高.这是因为粗糙管壁引起的湍流沉积效应和热泳沉积效应较强的缘故.

图6 窄矩形通道内细颗粒质量浓度分布Fig.6 Distribution of fine particle mass concentration in narrow channel

4 结 论

（1）粗糙度会对管道内细颗粒和空气的流动产生影响，从而影响管道内温度场的分布.粗糙度使得管道中间的温度降低，管道内温度分布较为平缓，但是增大了管壁附近的温度梯度.

（2）粗糙度会影响管道内细颗粒的径向速度分布，增大管道内径向速度的极值，并且增加管道两侧径向速度极值的不对称性，导致管道内颗粒的湍流沉积和热泳沉积.

（3）粗糙度会影响管道内细颗粒的质量浓度分布，促进管壁附近细颗粒的富集.

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