流化床团聚工艺及抗结剂对石榴汁粉流动特性的影响

《Powder Technology》：The impact of the fluidized bed agglomeration and anticaking agents on flow characteristics of the pomegranate juice powder

静电除尘器中主气流与离子风夹角θ对流动模式、颗粒运输及沉积的影响，基于RNG k-ε湍流模型和Q准则涡流分析，数值模型耦合电场方程求解电体力，发现θ偏离90°时离子电荷密度扩散增强，θ<90°时除尘效率提升，最佳θ为60°，且θ和颗粒直径增大导致沉积模式更规律。

　　这项研究通过建立一个全面的数值模型，探讨了主气流与离子风之间夹角（θ）对静电除尘器（ESP）中流场结构、粒子迁移和沉积的影响，特别是在使用放电针电极的情况下。研究利用ANSYS Fluent v19.3.0软件中的RNG k-ε湍流模型和Q准则进行涡旋分析，模型中还考虑了由电场方程求解得到的电体力。研究结果表明，θ对离子电荷密度的影响远大于对电场强度的影响。当θ偏离90°时，离子电荷密度的扩散效应增强。对于θ小于90°的情况，增强的离子电荷密度有助于粒子更早地被充电，从而提升除尘效率。此外，θ的变化还会影响等涡旋面，形成涡旋环和大尺度反向旋转对，进而产生螺旋状气流，影响粒子的迁移和沉积过程。除尘效率随着θ的增加而上升，随后下降，所有粒子直径情况下，θ等于60°时达到峰值。此外，θ或粒子直径的增加会使收集面上的沉积模式更加规律。

静电电场和电晕风之间的相互作用在ESP中具有重要作用。电晕风是通过高强电场与电离气体分子的相互作用产生的，这一过程涉及到电晕放电产生的带电离子与中性空气分子的碰撞，从而转移动量并生成次级流动。这些流动在增强质量与热量传递、推进微流体系统以及改善空气净化和粒子控制方面具有广泛应用。在ESP中，电晕风通过与主气流的相互作用，改变了流场结构，增强了湍流，直接影响粒子的充电、迁移和收集效率。ESP被广泛应用于工业领域，用于从废气中去除细颗粒物。这些设备的工作原理基于静电力，其中放电电极（通常为针状或线状）产生高电压电场，诱导电晕放电，从而电离周围的气体。电晕放电过程中产生的离子与主气流相互作用，生成电晕风，改变ESP内部的气流结构。这些相互作用对ESP的性能产生显著影响，特别是在粒子收集效率和沉积方面。

已有研究表明，电晕风的强度和方向是影响EHD流动的关键参数，这些参数受到电场强度和电荷空间分布的强烈影响。电场强度由施加的电压决定，直接决定了EHD流动的强度，较高的电压产生更强的电场。此外，电场的非均匀分布和空间电荷的分布，源于电极几何形状等因素（如线板或线管结构），可能导致局部高流速区域，促进涡旋的形成。电极的间距、形状和方向进一步影响这些涡旋的特性。在低入口流速和高温度条件下，电晕风对流场结构的影响更加显著。一些研究引入了无量纲参数，如EHD数（Ehd）和EHD数与雷诺数平方的比值（Ehd/Re2），用于描述电场和惯性力在流动中的相对强度。然而，这些研究通常忽略了电晕风的矢量特性。

为了提高ESP的效率，越来越多的复杂电极配置和结构被采用。例如，波纹板被用于在收集板附近形成非均匀的电场分布，产生相对平静的区域，促进粒子沉积。这些区域具有较低的流速，防止已沉积在收集面上的粒子再次被卷入。针状电极与光滑线状电极在对电场和流场特性的影响上存在显著差异，这种差异进一步影响了粒子的行为。放电电极的几何形状，如针尖的曲率和间距，影响了关键变量，包括电晕起始电压、电场强度和离子分布。尖锐的针尖能够产生强烈的局部电场，增强电晕放电和离子化。同时，这些电极也能破坏气流，产生高速的电晕风，形成强烈的涡旋并增加ESP内部的湍流。值得注意的是，针状电极的典型配置——垂直或平行于收集板——往往导致电晕风方向的固定，这种设置倾向于固定离子风和主气流的方向，限制了研究仅关注其强度，而忽略了方向上的相互作用。

尽管对ESP中的静电场和流体力学已有大量研究，但在理解主气流与针状电极产生的电晕风之间的相互作用方面仍存在关键的空白。目前的大多数模型未能考虑这两种流动的矢量特性，从而忽略了它们之间的夹角关系在塑造整体流场行为和粒子迁移中的重要作用。为了弥补这一知识空白，本研究采用了一种数值模型，结合涡旋识别技术，特别是Q准则，来探讨主气流与电晕风之间的夹角如何影响ESP中的流场结构和粒子沉积。通过研究涡旋的形成以及这两种流动之间的方向相互作用，本研究旨在揭示驱动ESP性能的机制。

研究采用的ESP通道结构包括两个接地的收集板，中间悬置一个放电电极，如图1所示。放电电极由支撑杆和具有尖锐针尖的放电针组成。进入ESP的主气流（u?）具有明确的流线方向，而由针尖产生的高速电晕风（u?）则遵循不同的喷射轨迹。值得注意的是，主气流与电晕风之间存在一个相互作用的夹角（θ）。研究进一步分析了不同θ值下电晕电场的分布情况，以理解其对粒子行为的影响。图4和图5展示了不同夹角位置下电场强度E和空间电荷密度ρion的分布图。这些图是在z=0 m处的xy平面上生成的，包含了包含放电针的平面。每个子图对应于特定的θ值，以揭示其对电场和电荷密度分布的影响。

此外，研究还分析了不同θ值下粒子浓度和沉积模式的变化情况。图7和图8展示了不同夹角下粒子浓度和沉积模式的分布情况，以揭示其对除尘效率的影响。这些图表明，随着θ的增加，粒子浓度的分布逐渐趋于均匀，沉积模式也变得更加规律。研究还探讨了θ对湍流强度和涡旋形成的影响，发现θ的变化会改变等涡旋面，形成涡旋环和大尺度反向旋转对，从而产生螺旋状气流。这种螺旋状气流对粒子的迁移和沉积过程产生了显著影响。研究结果还表明，θ对粒子的沉积模式具有显著影响，特别是在不同粒子直径的情况下。当θ增加时，粒子在收集面上的沉积更加均匀，沉积效率也相应提高。

本研究通过数值模拟揭示了θ在ESP性能中的关键作用。研究结果表明，θ对离子电荷密度的影响远大于对电场强度的影响，这一发现对优化ESP设计具有重要意义。在θ小于90°的情况下，增强的离子电荷密度有助于粒子更早地被充电，从而提升除尘效率。当θ增加至60°时，除尘效率达到峰值，之后随着θ的进一步增加而下降。这一趋势表明，存在一个最佳的θ值，可以最大化ESP的除尘效率。此外，θ的增加会导致等涡旋面的变化，形成涡旋环和大尺度反向旋转对，从而产生螺旋状气流，影响粒子的迁移和沉积过程。这些发现对理解ESP中流场结构与粒子行为之间的相互作用具有重要意义，为优化ESP的设计和运行提供了理论依据。

研究还分析了不同θ值下粒子浓度和沉积模式的变化情况。图7和图8展示了不同夹角下粒子浓度和沉积模式的分布情况，以揭示其对除尘效率的影响。这些图表明，随着θ的增加，粒子浓度的分布逐渐趋于均匀，沉积模式也变得更加规律。研究还探讨了θ对湍流强度和涡旋形成的影响，发现θ的变化会改变等涡旋面，形成涡旋环和大尺度反向旋转对，从而产生螺旋状气流。这种螺旋状气流对粒子的迁移和沉积过程产生了显著影响。这些发现对理解ESP中流场结构与粒子行为之间的相互作用具有重要意义，为优化ESP的设计和运行提供了理论依据。

在ESP的设计和运行中，电极的几何形状和配置对电场分布和粒子行为具有重要影响。针状电极的曲率和间距决定了电晕起始电压、电场强度和离子分布。这些因素共同作用，影响了粒子的充电、迁移和沉积过程。研究还分析了不同θ值下粒子浓度和沉积模式的变化情况，发现随着θ的增加，粒子浓度的分布逐渐趋于均匀，沉积模式也变得更加规律。此外，θ的增加会导致等涡旋面的变化，形成涡旋环和大尺度反向旋转对，从而产生螺旋状气流。这种螺旋状气流对粒子的迁移和沉积过程产生了显著影响。

在实际应用中，ESP的效率不仅取决于电场强度，还受到主气流与电晕风之间夹角的影响。这一夹角的变化会影响电荷密度的分布，从而影响粒子的充电过程。同时，夹角的变化也会改变流场结构，促进涡旋的形成，影响粒子的迁移路径。这些因素共同作用，决定了ESP的整体性能。因此，优化ESP的设计不仅需要考虑电极的几何形状，还需要关注主气流与电晕风之间的夹角。通过调整这一夹角，可以有效提升ESP的除尘效率，同时改善粒子的沉积模式。

本研究通过数值模拟和实验分析，揭示了θ在ESP性能中的关键作用。研究结果表明，θ对离子电荷密度的影响远大于对电场强度的影响，这一发现对优化ESP设计具有重要意义。在θ小于90°的情况下，增强的离子电荷密度有助于粒子更早地被充电，从而提升除尘效率。当θ增加至60°时，除尘效率达到峰值，之后随着θ的进一步增加而下降。这一趋势表明，存在一个最佳的θ值，可以最大化ESP的除尘效率。此外，θ的增加会导致等涡旋面的变化，形成涡旋环和大尺度反向旋转对，从而产生螺旋状气流。这种螺旋状气流对粒子的迁移和沉积过程产生了显著影响。

在实际工程应用中，ESP的效率是衡量其性能的重要指标。研究结果表明，θ的调整可以有效提升ESP的除尘效率，同时改善粒子的沉积模式。这为ESP的设计和运行提供了新的思路，特别是在优化电极配置和流场结构方面。此外，研究还分析了不同θ值下粒子浓度和沉积模式的变化情况，发现随着θ的增加，粒子浓度的分布逐渐趋于均匀，沉积模式也变得更加规律。这些发现对理解ESP中流场结构与粒子行为之间的相互作用具有重要意义，为优化ESP的设计和运行提供了理论依据。

在研究过程中，采用了多种数值方法和实验手段，以确保研究结果的准确性和可靠性。首先，通过建立一个全面的数值模型，结合RNG k-ε湍流模型和Q准则进行涡旋分析，模拟了ESP中的流场结构和粒子行为。其次，通过分析不同θ值下的电场分布和离子电荷密度变化，揭示了θ对粒子充电和迁移的影响。此外，通过实验测量和模拟结果的对比，验证了数值模型的有效性。这些方法的综合应用，为研究提供了可靠的依据，并确保了研究结果的科学性和准确性。

在实际应用中，ESP的效率受到多种因素的影响，包括电极的几何形状、放电方式、气流速度和温度等。研究结果表明，θ的调整可以有效提升ESP的除尘效率，同时改善粒子的沉积模式。这为ESP的设计和运行提供了新的思路，特别是在优化电极配置和流场结构方面。此外，研究还分析了不同θ值下粒子浓度和沉积模式的变化情况，发现随着θ的增加，粒子浓度的分布逐渐趋于均匀，沉积模式也变得更加规律。这些发现对理解ESP中流场结构与粒子行为之间的相互作用具有重要意义，为优化ESP的设计和运行提供了理论依据。

本研究的成果不仅对ESP的优化设计具有指导意义，还对相关领域的研究提供了新的视角。例如，在微流体系统中，电晕风的形成和控制对流场结构和粒子迁移具有重要影响。在空气净化技术中，电晕风的增强有助于提高污染物的去除效率。因此，本研究的发现可以为这些领域的研究提供参考，促进相关技术的发展和应用。此外，研究还揭示了θ对粒子浓度和沉积模式的影响，为未来研究提供了新的方向和思路。

在实际应用中，ESP的效率是衡量其性能的重要指标。研究结果表明，θ的调整可以有效提升ESP的除尘效率，同时改善粒子的沉积模式。这为ESP的设计和运行提供了新的思路，特别是在优化电极配置和流场结构方面。此外，研究还分析了不同θ值下粒子浓度和沉积模式的变化情况，发现随着θ的增加，粒子浓度的分布逐渐趋于均匀，沉积模式也变得更加规律。这些发现对理解ESP中流场结构与粒子行为之间的相互作用具有重要意义，为优化ESP的设计和运行提供了理论依据。

本研究的成果不仅对ESP的优化设计具有指导意义，还对相关领域的研究提供了新的视角。例如，在微流体系统中，电晕风的形成和控制对流场结构和粒子迁移具有重要影响。在空气净化技术中，电晕风的增强有助于提高污染物的去除效率。因此，本研究的发现可以为这些领域的研究提供参考，促进相关技术的发展和应用。此外，研究还揭示了θ对粒子浓度和沉积模式的影响，为未来研究提供了新的方向和思路。

在实际工程应用中，ESP的效率是衡量其性能的重要指标。研究结果表明，θ的调整可以有效提升ESP的除尘效率，同时改善粒子的沉积模式。这为ESP的设计和运行提供了新的思路，特别是在优化电极配置和流场结构方面。此外，研究还分析了不同θ值下粒子浓度和沉积模式的变化情况，发现随着θ的增加，粒子浓度的分布逐渐趋于均匀，沉积模式也变得更加规律。这些发现对理解ESP中流场结构与粒子行为之间的相互作用具有重要意义，为优化ESP的设计和运行提供了理论依据。