为了控制温室效应，科学家必须研究燃烧过程，最大限度地减少大气中二氧化碳（CO2）的积累。在这些过程中，可能的燃料包括生物量和其他生物燃料，它们可以在短时间内循环利用碳，但是也会产生不利影响：这些物质的燃烧会产生碳和灰烬颗粒从而造成大气污染，因此排向大气的废气中必须去除这些颗粒。为了提高颗粒的去除率，研究人员使用已经验证过的仿真模型（通过与实验数据进行比较）来研究静电除尘器的设计。
静电除尘器是如何工作的？
顾名思义，静电除尘器是通过静电过滤废气中的碳颗粒。这些颗粒经电除尘器组件荷电和加速后，在沉淀器的板上积累和聚集，就可以被去除。例如，这种装置可以安装在烟囱上清洁烟道废气。
波兰垃圾焚烧厂的静电除尘器。图片由 LukaszKatlewa 提供自己的作品。通过Wikimedia Commons 获得CC BY-SA 3.0许可。
在典型的静电除尘器中，通过烟道释放的废气通过两个电极，这两个电极通常是管道或烟囱内的金属棒、金属板或电线。其中一个电极带有高负电压，该电压会传递给烟雾颗粒，使它们依次获得负电荷。位于管道下方的第二个电极通常具有接地正电压，两个电极之间产生了强电场，从而导致负电荷粒子加速。因此，颗粒被接地电极吸引并被收集，直到被移除和处理。
为了寻找一种可以改善静电除尘器设计和进一步研究静电除尘器的充电机制，用于特别针对电除尘器中的空气电离过程的方法，来自瑞士 Windisch 的 University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland 和生物质与资源效率研究所的研究人员 Donato Rubinetti 和 Josef Wüest 与减排公司 OekoSolve 开展了合作研究。他们在 2017 年 COMSOL 用户年会（鹿特丹站）上介绍了他们的研究工作。
在 COMSOL Multiphysics 中模拟电滤波器
研究团队使用 COMSOL Multiphysics 软件及其附加的CFD模块建立了静电除尘器模型。建模中使用了软件中的静电接口、流体流动 接口、偏微分方程接口和流体流动颗粒追踪 接口，该模型涉及了流体力学、粒子动力学和静电学相互耦合现象。
在2015 年 COMSOL 用户年会的一篇会议论文中，研究团队解释了他们是如何建立静电模型的。最开始，他们确定了颗粒上的力(库伦力和牵引力)以及电极的放置位置，以优化颗粒子的捕获和充电过程。
在2017 年 COMSOL 用户年会的一篇会议论文中，研究人员基于该模型讨论了他们的测试案例。除了几何形状之外，物理场和数值模拟过程与之前的论文相同。他们在过滤器几何模型上建立了大范围的空间电荷密度分布，用于获得颗粒被去除时的激发加速度。该分布是使用泊松方程和电荷输运方程模拟的。
在二维空间模拟静电除尘器
如下图的三维和二维模型所示，5号点是带负电颗粒的电极，1~4号点是带正电的环，当废气通过气缸时，颗粒子被吸引到这些环上。
电除尘器模型的三维(左)和二维(右)表示。图片由 Rubinetti, Wüest,以及 OekoSolve 公司提供，来自他们的2017 年鹿特丹 COMSOL 用户年会会议论文。
通过建立的数值模型，研究人员能够分析每个轴的电场强度。他们进行了二维和三维模拟，比较了电场的分布。
由于三维模拟总共有 160 万个网格单元，而二维模拟大约有 300，000 个网格单元，所以研究团队想知道二维模型是否足以进行进一步的研究中以加快计算速度。他们证实了二维模型适合用来对过程进行定性理解，并且足够真实来产生准确的结果。
建立试验测试平台验证模型
在确认二维模型适合他们的实验后，研究团队建立了一个试验验证模型。他们使用从试验测试平台获得的实验数据来验证这个模型。
下面的示意图显示了试验台的实验设置，电极P3和测量环单元 M1 到 M4，顶部 C 作为电流的开始。发射电极电势是从 -2kV 到 -30kV 的可变电位。由于等离子体层的电离和加速作用，我们可以在接地环上观察和测量电流。
试验测试平台示意图。图片由 Rubinetti, Wüest 和 OekoSolve 公司提供，摘自他们的2017年鹿特丹COMSOL用户年会上的论文。
结果比较
我们来看数值模型中的二维电场强度结果。在下左图中，电场线表示从环 1 到环 4 的电场强度有所降低。电场强度被描绘成蓝色，在穿过环之前，电流在电极附近非常强。
在下右图中，我们可以看到电极的特写图。即使在特写图中，因为最强的区域(红色)是一条细线，因此表示的电场强度也是迅速消散的。这些结果准确地显示了靠近电极的过程中最重要部分的电场强度，证明了运行二维模拟的可行性。
电场强度和场线(左)以及电极附近的特写视图(右)。图片由 Rubinetti, Wüest 和 OekoSolve 公司提供，摘自他们在 2017 年鹿特丹 COMSOL 用户年会上的论文。
虽然二维模拟对于观察场强是有效的，但是由于与实验测出的数值在量级上相差过大研究人员只能在一定程度上比较测量的电流。研究团队对结果进行了去量纲的归一化处理，以便更仔细地观察。
如下图所示，所有测量值(M1-M4)和模拟值(S1-S4)结果之间的差异可以用量级不匹配导致误差以及试验台设置的一些其他因素来解释。然而，我们可以在模拟值和测量值中看到，这两个结果都显示出第一个环与其他彼此靠近的其他环有很大不同——这意味着当排列被简化为二维模型时，仍然有可能预测实际的物理行为。
模拟值和测量值的比较。图片由 Rubinetti, Wüest 和 OekoSolve 公司提供，摘自他们的 2017 鹿特丹 COMSOL 用户年会上的论文。
自 2017 年鹿特丹 COMSOL 用户年会以来，研究人员已经解决了这种量级的不匹配问题，并将维度重新添加到模型中。他们还更加关注电模拟，特别是电离过程如何随着高达 1000K 的温度而变化。为了在实验和模型之间获得一致量级，他们建立了轴对称试验平台，还建立了二维轴对称模型。
新的测试平台通过以下方式帮助他们测试电极的性能:
- 将电极与圆柱体轴线对齐
- 将电极电压改为30 kV
- 测量环上的电流
正如我们在下图中看到的，现在实验值与模拟结果更加接近:
新的验证模型和测量值的比较。图片由 Donato Rubinetti 提供。
如下面的动画所示，电流仅在大约 12kV 以上才开始流动，因此该团队能够验证模型的建模方式和模型的结果。
更新的验证模型模拟结果的动画。动画由 Donato Rubinetti 提供。
下一步研究是什么？
从测试案例到行业相关模型，研究团队证明了多物理仿真有助于加速粒子控制技术的进一步研究和发展。正如文中所展示的，二维模型对于深入理解一个域内的空间变化分布是足够精确的。
进一步的模拟能提供更多突破性的见解吗？在他们的论文中，研究团队重点研究了由电极之间的电势差产生的电场类型。虽然目前的模型没有考虑颗粒对电场的影响，但第二种方法可以考虑这种影响。由带电粒子“云”建立的新方法可以解释更加动态的场，移动通过颗粒燃烧器的所有颗粒，直到颗粒沉积在收集器上。
通常，研究人员通过实验只能看到已经沉积的颗粒。Rubinetti 表示，如果有更多的时间和计算资源，对整个颗粒燃烧器系统进行三维模拟可能有助于比以往任何时候都更能清晰地可视化粒子云:他们将能够看到带电粒子的实际路径和相互作用。
从长远来看，Rubinetti 希望进一步发展静电除尘器的建模方法，以了解外部对流对电离过程的影响，包括颗粒充电过程的温度依赖性和流体特性，如密度和黏度。基于研究人员的准确结果，他们看到了通过设定目标来优化颗粒控制技术设计的机会。
更多资源
- 查看来自 2017 鹿特丹 COMSOL 会议的论文:”数值模拟辅助下的燃烧粒子控制技术创新“
- 试试静电除尘器教程模型
- 阅读更多关于静电学建模的内容:如何使用导线、表面和实体创建静电学模型
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