负极针极静电除尘器湍流机理再认识

丹麦工大与FLS Airtech联合利用Stereo-PIV揭示负极针极ESP二次流与效率关系

关键词
electrostatic precipitator, negative corona, turbulence, secondary flow, particle deposition, electrohydrodynamic instability, 静电除尘器, 湍流, 针极电晕, 近壁沉积分速度

在燃煤电厂和水泥、钢铁等高排放行业，静电除尘器（ESP）依然是控制颗粒物排放的主力技术。随着超低排放和高效节能改造的推进，业内越来越多地依赖三维数值模拟来优化电场结构、气流组织和电晕系统设计。然而，相比入口气流均布、整体流场等“宏观问题”，局部湍流、二次流结构以及近壁颗粒输运等“微观机理”，在负极针极ESP中的作用一直缺乏高分辨率的实验支撑。

由丹麦技术大学（Technical University of Denmark）机械工程系流体力学研究组与FLS Airtech A/S联合完成的《Turbulence Studies of Negative Corona ESP》[1]，针对负极针极静电除尘器，在低粉尘浓度下系统开展了电场、流场与颗粒场三者的耦合研究。团队采用立体粒子图像测速（stereo-PIV）、激光多普勒测速（LDA）、电流密度分布测量以及三维CFD-电场联合计算，围绕“湍流来源”“二次流结构”“近壁沉积速度”和“效率预测偏差”等行业关注热点给出了新的实验证据。

本研究采用了一个典型的实验室模型：横截面200×200 mm、长度1 000 mm的矩形负极针极ESP通道，两侧铝板接地作为收尘极，上下为玻璃侧壁，便于光学测量。沿气流方向布置7根放电极，首根电极距入口200 mm，间距100 mm。为模拟工业应用中常见的负极针极电晕系统，实验选取了三种商业化针极结构：CA-100-100（细线电极，轴向4个针尖）、U-100-50与U-100-25（粗杆电极，分别布置6个和10个针尖，以±60°指向极板），它们在跨距方向与轴向上形成不同节距和长宽比的电场周期结构。测试以CaCO₃固体颗粒为示踪和“烟尘”等效粉尘，平均粒径约1.86 μm，浓度约0.1 g/m³，基本不影响主流气动场，可视为“单向耦合”条件。

在电场计算方面，研究团队基于泊松方程和电荷守恒，三维求解放电极与收尘极之间的电势和离子空间电荷分布。模型中采用导电电流项J=ρᵢbᵢE，并附加了等效扩散项用以匹配实测电流密度分布，使方程组保持椭圆性，便于数值求解。通过迭代调整针尖附近的离子源强度，使计算得到的平均电流密度与实测值一致。计算表明，除放电极附近局部区域外，跨距方向电场强度较为均匀，电荷体力主要体现为相对于整体平均值的局部偏差，这些偏差驱动了典型的“轴向卷吸式二次流”结构。以涡量源Ωₓ= (∇×Fₑ)ₓ描述体力场，可清晰看出不同针极几何形态诱导的轴向滚涡分布形式，为理解电流分布、尘层花纹和湍流生成奠定了基础。

流场测试采用了Stereo-PIV和LDA相结合的手段。Stereo-PIV利用双脉冲Nd:YAG激光片光和两台CCD相机，实现x=750 mm截面（第6、7放电极中间截面）上y-z平面的三维速度场获取，空间分辨率约1.7 mm×2.7 mm。通过对400幅瞬时矢量图进行平均，获得各类针极布置下的平均二次流结构与湍流强度分布。为了剔除颗粒在电场中的电迁移速度，作者依据电晕场强与颗粒饱和荷电理论（Cochet 模型）计算电迁移速度Vₑ，并从PIV测得的粒子速度中扣除，得到真实气相速度。

实验结果显示，对于CA-100-100细线电极，二次流呈现典型、规则的轴向滚涡结构：在每个电晕单元下方形成两个沿程延伸的对称大尺度涡旋，涡心位于跨距中心两侧，截面上呈现结构清晰的卷吸与回流。这种规则二次流在平均意义上强化了横向混合，使得部分颗粒在边界层外被卷带远离收尘极，对静电除尘效率形成“有组织”的负面影响。相比之下，U-100-50和U-100-25粗杆针极由于针尖数目增加、节距减小，电场在跨距方向上的“单元长宽比”显著增大，二次流不再能够形成稳定的规则卷涡，而是表现为多尺度、局部性更强的旋涡群和更高的湍流强度。值得注意的是，研究发现：具有较不规则二次流结构的U型电极，尽管整体湍流强度更高，但在低负荷条件下，其除尘效率反而往往优于二次流规则的CA型电极，这与以往侧重“抑制湍流”的经验性认识有所不同。

为量化电场对流场的影响，作者引入了电-流动耦合无量纲参数N_EHD = (Jₘ/bᵢ) lᵧ / (½ρU₀²)，即电场横向体力与轴向动量惯性的比值，可视作“电场Froude数”的倒数。Stereo-PIV结果表明，随着N_EHD增大，CA和U型电极的二次流平均强度⟨(V,W)⟩总体上先增强后在高N_EHD条件下趋于饱和甚至略有减弱，而平均湍流强度⟨Tu⟩则随N_EHD单调上升，U-100-25在同一工况下的湍流水平最高。基于测得的雷诺应力与平均速度梯度，估算得到的涡黏度ν_T/ν在CA-100-100下可达约100量级，U-型电极则略低。这一数量级直接影响了后续浓度场CFD计算中采用的涡扩散系数，从而影响ESP效率预测。

在数值模拟方面，研究采用STAR-CD求解RANS方程，选用低雷诺数k-ε模型，显式耦合前述三维电荷体力场。流场计算在包含半根放电极的100 mm节距单元中进行，轴向采用周期边界条件，假设流动已发展稳定。随后在给定流场基础上，引入颗粒迁移与涡扩散，建立不同粒径组分的标量输运方程，电迁移速度Vₑ通过E场计算得到，并以源项形式加入。通过串联多个100 mm计算单元，可以重构沿程浓度衰减和穿透率，并估算1 000 mm通道长度下的总体除尘效率。

模拟结果有两个对工程设计非常关键的结论：一是轴向发展到第二、第三个单元后，截面浓度形态基本稳定，仅整体水平随长度呈类指数衰减，类似Deutsch公式的假设，这为在工程CFD中采用“节段复用”简化计算提供了依据；二是如果直接采用基于电场计算得到的颗粒电迁移速度作为近壁边界条件（即在收尘极壁面假定仅存在电迁移通量，浓度梯度为零），则预测的总效率明显偏低，例如在CA-100-100、U₀=1 m/s、Jₘ=0.4 mA/m²工况下，对平均粒径1.86 μm的Rollovit颗粒，模拟效率约28%，而实验测得效率在60%–80%区间。这一显著偏差，指向了工业ESP数值模拟中的薄弱点：如何正确处理负极电晕条件下，湍流近壁结构与电迁移耦合导致的实际沉积分布。

为此，作者实施了细致的LDA近壁测速实验。通过改变激光测量体相对于极板的入射角度，在距壁0.5–20 mm范围内测得法向速度分布，并利用两组不同角度的测量剥离出正交速度分量。结果显示：在远离壁面（如y=20 mm）处，粒子法向速度呈近似对称的高斯分布，平均值接近0，反映了典型的湍流脉动特征；而在靠近壁面的y=0.5 mm位置，概率密度明显偏向负值，几乎所有颗粒的法向速度均指向极板，平均沉积速度约0.15 m/s，最大甚至可达0.4 m/s，远高于根据静态电场推算得到的电迁移速度。将该实测有效沉积速度代入经典Deutsch公式η=1-exp(-ωA/Q)，其中ω≈0.15 m/s、有效沉积长度1 m，横向尺度0.1 m、U₀=1 m/s，可得到η≈78%，与实验测量区间相符。这说明在负极针极ESP中，近壁湍流相干结构和电场耦合作用显著提高了颗粒向极板的“有效漂移速度”，传统将近壁区简化为“层流亚层+纯电迁移”的假设已不足以解释实际效率。

对于湍流来源，本文也给出了定量分析。作者定义了两类湍动能生产项：由平均剪切引起的P_{k,shear} = -ρ⟨uᵢuⱼ⟩∂Uⱼ/∂xᵢ，以及可能由电场波动产生的P_{k,e} = ⟨J′ᵢu′ᵢ⟩/bᵢ。基于Stereo-PIV数据，CA-100-100在x=750 mm截面上的平均剪切生产约为0.19 W/m³。为评估电场波动贡献，研究通过在距极板20 mm位置同步测量v′(t)和极板局部电流J′(t)，计算两者相关性⟨J′v′⟩，发现电场波动导致的湍动能生产P_{k,e}与剪切生产处于同一量级，并随平均电流密度和N_EHD增加而增大。这一结果与Atten等人提出的“电水动力不稳定”理论相呼应。[3]通过构造无量纲稳定性参数T = (εᵣε₀ϕ₀) / (bᵢμ)，作者估计本实验几何条件下的临界T_c约为42，对应放电极电压约18 kV，接近电晕起始电压。这意味着，在实际负极电晕运行区间内，电流波动与流场扰动存在正反馈，确实可能通过电水动力机理持续驱动湍流发展，简单的k-ε封闭模型若未考虑P_{k,e}项，可能系统性低估湍动能水平。

综合来看，这项负极针极ESP湍流研究的行业意义主要体现在几个方面：其一，通过Stereo-PIV与LDA的结合，为三种典型商用针极结构提供了可量化、可验证的二次流与湍流数据，为未来工业电极型式优化提供实验依据；其二，证实了“有序大尺度二次流”对效率的负面作用往往强于“无序高湍流”，说明通过改变针尖布置和节距打乱二次流结构，可能比单纯降低湍流更有利于提升效率；其三，揭示了近壁“有效沉积分速度”远高于理论电迁移速度的事实，指明了工业ESP CFD建模亟需改进的关键边界条件——必须将湍流相干结构、电迁移和颗粒惯性耦合视作一个整体来处理；其四，从实测P_{k,e}出发，量化了电场波动对湍流生产的贡献，并给出了当前几何下的电水动力不稳定临界条件，为后续在工程设计中合理选取电压、电流工作点，平衡集尘效率与气动损失提供了新的思路。

可以预见，随着煤电、钢铁、水泥等行业静电除尘器向高比电阻、细微粒、低负荷、变负荷工况拓展，如何在三维CFD中更真实地植入这类“机理级”数据库与模型修正，将成为ESP厂家和设计单位的重要竞争力来源。而本研究提供的高质量实验数据与初步建模思路，恰好填补了行业在负极针极ESP湍流机理方面的关键空白。

参考文献
[1] Larsen PS, Poulsen JD, Pedersen JM, Meyer KE, Ullum TU, Nielsen NF, Lind L. Turbulence studies of negative corona ESP. In: ICESP IX, International Conference on Electrostatic Precipitation, 2004.
[2] Leonard G, Mitchner M, Self SA. Particle transport in electrostatic precipitators. Atmospheric Environment, 1980, 14:1289–1299.
[3] Atten P, McCluskey MJ, Lahjomri AC. The electrohydrodynamic origin of turbulence in electrostatic precipitators. IEEE Transactions on Industry Applications, 1987, IA-23:705–711.
[4] Ullum T, Larsen PS, Özcan O. Three-dimensional flow and turbulence structure in electrostatic precipitator. Experiments in Fluids, 2004, 36:91–99.

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