1、可吸入顆粒物(空氣動力學直徑小于10μm的顆粒物，簡稱為PM或PM10)已經成為大氣環(huán)境污染的突出問題。由于PM的微觀性和其生成、生長和演變所經歷的復雜物理化學過程，無論是對其的采樣和物理化學特征分析、在燃燒過程中的形成機理和微尺度動力學演變規(guī)律，還是在自然條件和外加條件下的非線性和非穩(wěn)態(tài)運動規(guī)律、各種高效捕集策略的設計和優(yōu)化等方面，人們都缺乏足夠的認識，特別是缺乏相關的理論描述和定量描述。本文在此背景下，為燃煤PM復雜的動力學演變過程

2、(包括碰撞、凝并、破碎、冷凝/蒸發(fā)、成核和沉積等動力學事件)構建顆粒群平衡模擬隨機模型的完整數值模擬體系結構，并以此為平臺對靜電除塵器和濕式除塵器的除塵過程、自然環(huán)境中PM的干沉降和濕沉降過程進行顆粒群平衡模擬，對這些除塵機理進行深入分析，最終以此為基礎對兩種高效PM除塵技術(靜電增強濕式除塵器和靜電布袋混合除塵器)進行可行性分析和運行優(yōu)化，為其工業(yè)化應用提供理論基礎和技術指導。本文的研究成果包括：
　　 ⑴零維顆粒群平衡模擬的

3、隨機算法。引入“加權虛擬顆?！备拍疃l(fā)展了一種全新的零維顆粒群平衡模擬隨機算法——多重Monte Carlo(Multi-Monte Carlo，MMC)算法.該算法具有時間驅動Monte Carlo(MC)、常數目法和常體積法的特點，由于跟蹤數目較少的虛擬顆粒群而具備適用于工程計算的計算代價，由于保持恒定的虛擬顆?？倲的慷哂蟹€(wěn)定的計算精度，由于保持恒定的計算區(qū)域體積和基于時間驅動技術而具有與兩相湍流模型無縫耦合的擴展性.特殊工況下M

4、MC算法結果與相應的理論分析解之間的良好吻合，證明該算法能夠以較高計算精度和計算效率描述初始單分散性或多分散性顆粒群工況、單動力學事件或復合動力學事件工況等。建立了MC算法對顆粒尺度分布時間演變過程描述精度的定量評判方法.以此為基礎，定量比較了時間驅動直接模擬MC、階梯式常體積法、常數目法和MMC算法對于各種動力學事件的描述精度，并定性分析了各種MC數值誤差的來源和計算代價的主要貢獻源.針對MMC算法所表現的“常數目誤差”，通過建立“異

5、數目權值虛擬顆粒群策略”以及相應的“異數目權值虛擬顆粒凝并準則”、在時間驅動MC中引入接受-拒絕法來數值實現標準Markov過程、發(fā)展“常數目方案”和“階梯式常數目方案”來恢復虛擬顆粒數目等手段，對MMC算法進行改進.多種MC算法之間的定量比較表明，改進的MMC算法已經成為時間驅動MC中計算精度和計算效率最高的算法之一?；谑录寗覯C對解藕誤差的免疫及高計算精度和效率的認識，本文發(fā)展了另外一種全新的零維顆粒群平衡模擬隨機算法——事件驅

6、動常體積(EDCV)法.該算法仍然引入“加權虛擬顆?！钡母拍詈捅３殖ｓw積特征，并把“等數目權值虛擬顆粒群策略”和“異數目權值虛擬顆粒群策略”、累積概率法和接受-拒絕法、“常數目方案”和“階梯式常數目方案”以及“重整方案”等技術統一在一個框架下.通過對多種主流MC的定量比較，證明EDCV法成為目前零維顆粒群平衡模擬中計算精度和計算效率最高的隨機算法之一。
　　 ⑵多維顆粒群平衡模擬的隨機算法。通過把描述顆粒動力學演變的改進MMC算

7、法與描述兩相湍流場的歐拉-拉氏模型的無縫耦合，首次發(fā)展了一種多維顆粒群平衡模擬的隨機算法----多維MMC算法.該算法引入網格劃分技術和設置合適的時間步長，采用隨機過程來判斷碰撞/凝并等動力學事件的發(fā)生、尋找碰撞/凝并伙伴、建立碰撞動力學等.對細微顆粒流和粗重顆粒流中顆粒碰撞和凝并過程進行了數值模擬，模擬結果與直接數值模擬(DNS)結果實現定量上的較好吻合，證明所構建的多維多重Monte Carlo算法為四向耦合的兩相湍流模型和多維顆粒

8、群平衡模擬提供一個高精度和高效率的數值描述方案.采用所發(fā)展的MC算法考察了軸對稱突擴通道有旋氣固兩相流中顆粒碰撞對于兩相流場的影響，發(fā)現顆粒之間的相互碰撞使得顆粒速度和雷諾應力重新分配并趨于各向同性，而顆粒湍動能及顆粒-流體脈動速度關聯降低。
　　 ⑶傳統除塵裝置和自然環(huán)境對PM的除塵機理研究。為了理解外加條件對PM動力學特性的作用機理，采用事件驅動常體積法對典型的靜電和濕式除塵器進行了顆粒群平衡模擬.發(fā)現靜電力與慣性力的相互競

9、爭導致0.1～1μm的細微顆粒難以被靜電除塵器捕集，而布朗擴散和慣性碰撞機制對0.1～1μm區(qū)間顆粒物影響最小也導致其難以被濕式除塵器的液滴所捕集.對300MW燃煤鍋爐配備的靜電除塵器進口和出口煙塵顆粒進行現場采樣，并進行實際靜電除塵器的顆粒群平衡模擬，模擬結果和是試驗結果達到定量的吻合。為了描述從除塵器逃逸出來的PM在自然環(huán)境中的沉降過程，并借鑒大自然的自身凈化機制，采用多重Monte Carlo算法對自然環(huán)境中PM的干沉降和濕沉降過

10、程進行數值模擬.發(fā)現大自然對0.3μm附近的中等尺度顆粒物難以自身凈化，降雨量的增加有利于各種尺度顆粒物的濕去除，而雨滴幾何平均尺度越小、雨滴幾何標準偏差越小，越有利于小尺度和中等尺度顆粒物的濕去除，但稍稍不利于大尺度顆粒物的濕去除。
　　 ⑷高效PM除塵技術的可行性分析和運行優(yōu)化。通過對自然條件和外加條件下PM動力學演變規(guī)律的認識，采用復合外加條件提高PM的除塵效率.對兩種高效PM除塵技術(靜電增強濕式除塵器和靜電布袋混合除塵