基于POWER函数的PM2.5捕集效率贡献率曲线拟合方法与流程

本发明涉及一种pm2.5捕集效率贡献率曲线拟合方法，尤其是涉及一种基于power函数的pm2.5捕集效率贡献率曲线拟合方法。

背景技术：

pm2.5是指大气中直径小于或等于2.5的颗粒物，pm2.5的大量排放会严重影响空气能见度并对人体健康造成极大的危害。当前，我国燃煤电厂中烟尘净化设备近90％采用的是静电除尘器，然而pm2.5的静电捕集效率偏低，如何提高esp对pm2.5的捕集效率已成为当前除尘领域研究的热点和难点。目前，国内外学者基于数值模拟和实验方法对esp除尘性能改善的研究已多有开展，但在不同烟气流速下，离子风效应对esp捕集效率的影响尚无深入研究。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于power函数的pm2.5捕集效率贡献率曲线拟合方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于power函数的pm2.5捕集效率贡献率曲线拟合方法，包括：在建立线板式静电除尘器esp理论模型和简化模型的基础上，模拟并分析了不同烟气流速下离子风对pm2.5颗粒捕集效率的影响，利用power函数对静电除尘器中离子风对pm2.5颗粒捕集效率的贡献率随烟气流速的变化曲线进行拟合，得到拟合曲线，从而进一步提升了esp捕集性能。

所述的线板式静电除尘器esp理论模型具体为：

1)对于线板式esp，在电晕稳定放电情况下，电场满足以下泊松方程和电流连续性方程：

▽u·▽ρ＝ρ²/ε0

式中，为电场强度，v/m；u为空间电势，v；ρ为空间电荷密度，c/m³；ε0为真空介电常数；

2)将离子风作用下气流场中的气体流动看作为不可压缩、黏性、稳态的流动，满足质量守恒方程和动量守恒方程，分别表示为：

式中，ρg为烟气密度，kg/m³；ui和uj为气体速度，m/s；p为气体平均静压，pa；μ和μt分别为气体动力粘性系数，kg/(m·s)；ρ是电荷密度，ej是电场强度；fdj是空气动力学拖曳力；下注“i”和“j”为变量，i,j＝1，2，3分别代表x,y,z方向；

3)考虑粉尘在颗粒动力场中的受力时，只需考虑电场力、离子风力、磁场力和拖曳力，则颗粒的运动方程为：

式中，mp为粉尘粒子质量，kg；uj表示颗粒在j方向的速度，m/s；qp为尘粒表面荷电量，c；fj为离子风力；

所述的线板式静电除尘器esp简化模型具体为：

线板式esp由平行的收尘极板和位于正中的一组三个等间距的电晕极组成简化模型，利用gambit软件对简化模型网格剖分，共划分为41440个网格单元，并将计算区域分为三个电晕区和其他部分。

所述的模拟并分析了不同烟气流速下离子风对pm2.5颗粒捕集效率的影响具体为：

1)在同一工作电压u＝60kv时，绘制不同烟气流速和有无离子风作用情形下的颗粒运行轨迹，在同一烟气流速中，考虑离子风效应下颗粒的运动轨迹更偏向于收尘板，这体现了离子风对于颗粒捕集效率有一定的促进作用；随着烟气流速的减小，不论是否存在离子风效应，颗粒更容易靠近收尘板，因为颗粒在线板式esp内停留的时间变长，颗粒更容易被荷电，从而提升了捕集效果；

2)对有无离子风作用下pm2.5颗粒捕集效率随烟气流速的变化进行模拟，得到：

(1)随着烟气流速的增大，不论是否考虑离子风的作用，pm2.5颗粒的捕集效率都呈下降的趋势，且该趋势逐渐变缓；

(2)考虑离子风作用下颗粒的捕集效率比不考虑离子风作用的要高，并且随着烟气流速的增大，两条曲线间的差值逐渐增大，表明了离子风效应对颗粒捕集效率的影响效果随着烟气流速的增加而不断提高。

所述的利用power函数对静电除尘器中离子风对pm2.5颗粒捕集效率的贡献率随烟气流速的变化曲线进行拟合具体为：

采用power函数描述离子风对pm2.5颗粒捕集效率的贡献率λ随烟气流速v的变化，即有：

λ(v)＝p(v)＝a·v^b

为了使拟合精度更高，在power函数的基础上进行了优化，得到以下更为精确的分布函数：

λ(v)＝p(v)＝a·v^b+c

式中，a、b、c为power函数的待估参数。

与现有技术相比，本发明结合国内外esp相关理论和实际应用，在建立线板式静电除尘器理论模型和简化模型的基础上，模拟并分析了不同烟气流速下离子风对pm2.5颗粒捕集效率的影响，得到了pm2.5颗粒捕集效率的贡献率随烟气流速的变化的拟合公式，为进一步提升esp捕集性能提供了技术参考。

附图说明

图1为线板式esp二维简化结构图；

图2为线板式esp二维模型网格剖分图；

图3为有无离子风作用和不同烟气流速下颗粒的运动轨迹，其中(a)为无离子风作用下烟气流速v＝1m/s，(b)无离子风作用下烟气流速v＝2m/s，(c)离子风作用下烟气流速v＝1m/s，(d)离子风作用下烟气流速v＝2m/s；

图4为不同烟气流速下pm2.5颗粒的捕集效率示意图；

图5为不同烟气流速下离子风对pm2.5颗粒捕集效率的贡献率示意图；

图6为离子风对pm2.5颗粒捕集效率的贡献率随烟气流速变化的拟合曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明以线板式静电除尘器(electrostaticprecipitators，esp)的二维简化模型为研究对象，根据能量、动量守恒原理建立了流场、电场和颗粒动力场的数学模型。采用gambit软件建立了二维模型，数值模拟了不同烟气流速下的离子风效应，进而分析得到了esp捕集效率随离子风效应的变化规律：离子风效应明显提高了颗粒的捕集效率，离子风效应对颗粒捕集效率的贡献率随着烟气流速的增加而不断提高。此外，利用power函数对静电除尘器中离子风对pm2.5颗粒捕集效率的贡献率随烟气流速的变化曲线进行了拟合，得到了解析公式，并对其进行了验证，结果表明该拟合方法精确度很高。分析结果为探索离子风对esp捕集效率的影响提供理论依据，同时也为进一步提升esp捕集性能提供技术参考。

1理论模型

1.1电场

对于线板式esp，在电晕稳定放电情况下，电场满足以下泊松方程和电流连续性方程：

▽u·▽ρ＝ρ²/ε0(2)

式中，为电场强度，v/m；u为空间电势，v；ρ为空间电荷密度，c/m³；ε0为真空介电常数。

1.2流场

可将离子风作用下气流场中的气体流动看作为不可压缩、黏性、稳态的流动，满足质量守恒方程和动量守恒方程，可分别表示为：

式中，ρg为烟气密度，kg/m³；ui和uj为气体速度，m/s；p为气体平均静压，pa；μ和μt分别为气体动力粘性系数，kg/(m·s)；ρ是电荷密度，ej是电场强度；fdj是空气动力学拖曳力；下注“i”和“j”分别代表x,y,z方向。

1.3颗粒动力场

考虑粉尘在颗粒动力场中的受力时，可以忽略一些数量级相对较低的次要力，只需考虑电场力、离子风力、磁场力和拖曳力，则颗粒的运动方程为：

式中，mp为粉尘粒子质量，kg；uj表示颗粒在j方向的速度，m/s；qp为尘粒表面荷电量，c；fj为离子风力。

2应用软件的求解过程

2.1物理模型

线板式esp由平行的收尘极板和位于正中的一组三个等间距的电晕极组成，这里简化为如图1所示的2-d模型。具体的结构计算参数为：电晕线到收尘极板距离b＝114.3mm；电晕线间距c＝152.4mm；电晕极半径rw(plate)＝2.032mm。

2.2网格剖分

利用gambit软件对图1所示的简化模型网格剖分，共划分为41440个网格单元，并将计算区域分为三个电晕区和其他部分，如图2所示。

3不同烟气流速下的离子风效应

在同一工作电压u＝60kv时，不同烟气流速和有无离子风作用情形下的颗粒运行轨迹如图3所示。从图中可看出：在同一烟气流速中，考虑离子风效应下的颗粒的运动轨迹更偏向于收尘板，这体现了离子风对于颗粒捕集效率有一定的促进作用；随着烟气流速的减小，不论是否存在离子风效应，颗粒更容易靠近收尘板，这是因为颗粒在线板式esp内停留的时间变长，颗粒更容易被荷电，从而提升了捕集效果。

图4显示了有无离子风作用下pm2.5颗粒捕集效率随烟气流速的变化，从图中可以发现：

1)随着烟气流速的增大，不论是否考虑离子风的作用，pm2.5颗粒的捕集效率都呈下降的趋势，且该趋势逐渐变缓；

2)考虑离子风作用下颗粒的捕集效率比不考虑离子风作用的要高，并且随着烟气流速的增大，两条曲线间的差值逐渐增大，表明了离子风效应对颗粒捕集效率的影响效果随着烟气流速的增加而不断提高。

结合图4，图5给出了不同烟气流速下离子风对pm2.5颗粒捕集效率的贡献率。从中可以发现：随着烟气流速的变大，离子风对颗粒捕集效率的贡献率越来越明显，表明了在高烟气流速的工况中离子风的贡献更大。

4基于power函数法的pm2.5捕集效率贡献率曲线拟合

结合图5中的数据点，给出离子风对pm2.5颗粒捕集效率的贡献率随烟气流速变化的拟合方法，并利用实例对拟合曲线的精准度进行验证。

采用power函数描述离子风对pm2.5颗粒捕集效率的贡献率λ随烟气流速v的变化，即有：

λ(v)＝p(v)＝a·v^b(6)

为了使拟合精度更高，本文在power函数的基础上进行了优化，得到以下更为精确的分布函数：

λ(v)＝p(v)＝a·v^b+c(7)

式中，a、b、c为power函数的待估参数。结合图5中贡献率随烟气流速变化的数据(v＝1.5m/s除外)，基于式(7)和最小二乘法原理，可得到离子风对pm2.5颗粒捕集效率的贡献率随烟气流速变化的拟合公式，即为：

λ(v)＝p(v)＝-53.49·v^-0.8421+57.41(8)

图6给出了相应的拟合曲线，可以看出，数据点基本分布在拟合曲线上，吻合程度较好。

实例：

当烟气流速为1.5m/s时，通过本文的计算步骤可得到离子风效应贡献率的有限元计算值，该值对应于图6中的实心点，贡献率为λ＝19.52011。将v＝1.5m/s代入式(8)中，得到贡献率的拟合值为λ^*＝19.39227。以有限元计算值为基准，可得到power函数拟合的贡献率相对误差δ为：

由此可见，本文的捕集效率计算方法以及power函数拟合公式的确定方法是切实可行的，对于离子风效应下捕集效率贡献率随烟气流速的变化曲线，power函数分布拟合具有较高的拟合精度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。