温室效应使科学家有必要开发燃烧过程，以最大程度地减少二氧化碳在大气中的积累。这些过程中可能的燃料包括生物量和其他生物燃料，它们在短时间内回收碳。但是有一个缺点：这些材料的燃烧会产生碳和灰分颗粒，必须从排气中清除。为了改善颗粒过滤，研究人员使用模型研究了静电滤波器设计，这些模型通过将其与实验数据进行比较来验证。
静电脱水器如何工作？
这一切都在于：静电脱水器通过静态电力从排气中过滤碳颗粒。电滤波器成分充电并加速颗粒，这些颗粒会在脱水器中积聚并收集，然后可以去除。例如，该设备可以连接到烟囱和干净的烟道排气上。
波兰焚化厂的静电脱水器。Lukaszkatlewa的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。
在典型的静电除尘器中，通过烟道释放的排气通过两个电极，通常以金属条，板或电线的形式，在管道或烟囱内部。其中一个电极充满了高负电压，该电压传递给了烟雾颗粒，以便它们又获得负电荷。第二个电极位于管道下方，具有不同的电压（通常是接地），从而在两者之间产生强电场，从而导致带负电荷的颗粒的加速。因此，颗粒被接地电极吸引，并在那里收集到去除和处置。
寻求一种方法来改善和进一步开发静电脱水器的充电机制，特别是电气过滤器中的空气电离过程，研究人员Donato Rubinetti和JosefWüest从应用科学和艺术大学的生物量和资源效率研究所中的JosefWüest。在瑞士的温迪施，与减排公司Oekosolve合作。他们在2017年鹿特丹Comsol会议上提出了他们的发现。乐动滚球app下载
comsolMultiphysics®电滤波器的数值建模
研究团队使用ComsolMultiphysics®软件和附加组件建立了一个静电脱水器模型CFD模块。该模型涉及流体力学，颗粒动力学和静电的相互依赖现象。该模型使用静电界面，流体流界面，PDE接口和粒子跟踪流体流动界面。
在一个2015年Comsol会议的先前论文乐动滚球app下载，该小组解释了他们如何开发静电模型。他们最初确定了颗粒上的力（库仑力与阻力力），以及在何处放置电极以优化颗粒的捕获和充电。
在里面2017年Comsol会议的论乐动滚球app下载文，研究人员根据该模型讨论了他们的测试案例。除了几何形状外，物理和数值建模实践与上一篇论文相同。为了获得触发颗粒去除的加速度，它们能够在滤波器的几何形状上实现广泛的空间电荷密度。该分布是使用泊松方程和电荷的传输方程进行建模的。
在2D中建模静电滤波器
如下所示，在3D和2D中均表示，点数5是粒子被负电荷的电极，数字1到4是带正电荷的环，随着排气流通过圆柱体，颗粒被吸引到。
电滤波器模型的3D（左）和2D（右）表示。图像由Rubinetti，Wüest和Oekosolve Ag提供，并从他们的乐动滚球app下载Comsol会议2017鹿特丹纸。
通过建立数值模型，研究人员能够分析每个轴的电场强度。他们进行了2D和3D模拟，比较了电场的分布。
由于3D模拟总计160万个网格元素和大约300,000个网格元素的2D模拟，因此该团队希望找出2D模型是否足以在进一步的研究中进行更快的计算。他们确认2D模型适合对过程的定性理解，并且足够现实，可以产生准确的结果。
设置实验测试验证验证模型
在确认了2D模型对实验的适用性之后，研究团队建立了实验验证模型。他们使用从测试钻机获得的实验数据验证了该模型。
在下面的示意图中，显示了测试钻机的实验设置，具有电极P3和测量环M1至M4，C作为电流从顶部开始。发射电极的电势从-2 kV到-30 kV。由于血浆层的电离和加速度，可以在接地环上观察并测量电流。
实验室测试钻机示意图。图片由Rubinetti，Wüest和Oekosolve AG提供，并取自其2017年鹿特丹纸的Comsol会议。乐动滚球app下载
比较结果
让我们看一下数值模型中的2D电场强度。在左下图中的图像中，电场线表示从环1到环4的强度降低。电场强度被描绘为蓝色的蓝色，因为电流在电极附近如此强，然后将戒指。
在右侧的图像中，我们可以看到电极的特写视图。即使在特写镜头中，电场强度也很快消散，因为最强的区域（红色）是一条细线。这些结果证明了运行2D模拟的可行性，因为它们可以准确地显示出接近电极的过程的最重要部分的电场强度。
电场强度和场线（左）和电极附近的特写视图（右）。图片由Rubinetti，Wüest和Oekosolve AG提供，并取自其2017年鹿特丹纸的Comsol会议。乐动滚球app下载
虽然2D模拟对于观察场强的有效观察，但研究人员只能在一定程度上比较测量的电流，因为尺寸不匹配。研究团队将结果介绍，以仔细观察。
如下所示，在所有测量值（M1 -M4）和仿真（S1 – S4）的概述中，结果之间的差异可以通过维度不匹配以及测试钻机设置中的其他一些因素来解释。但是，我们可以在模拟和测量中看到，第一圈与彼此接近的同伴环明显不同 - 这意味着在降低为2D排列时，仍然可以预测物理的行为。
比较模拟和测量。图片由Rubinetti，Wüest和Oekosolve AG提供，并取自其2017年鹿特丹纸的Comsol会议。乐动滚球app下载
自2017年鹿特丹举乐动滚球app下载行Comsol会议以来，研究人员已经解决了不匹配，并将尺寸添加到了模型中。They’ve also focused more intensely on the electric aspect of the simulation, especially on how the ionization processes change with temperatures up to 1000 K. Having built an axisymmetric test rig in order to get a quantitative agreement between the experiments and the model, they also built a 2D axisymmetric model.
新的测试钻机帮助他们测试了电极的行为：
- 将电极与气缸轴一致
- 将电极的电压更改为30 kV
- 测量环上的电流
正如我们在下面看到的那样，实验现在与模拟结果更加匹配：
新验证模型和测量值的比较。图片由Donato Rubinetti提供。
该团队能够验证模型结果和建模方法，因为如下动画所示，电流仅开始流动到大约12 kV。
更新验证模型的动画结果。动画提供Donato Rubinetti。
下一步是什么？
从测试案例到与行业相关的模型，研究团队证明，多物理建模可以帮助加速粒子控制技术的进一步研究和开发。如前所述，2D情况非常准确，可以深入了解域内的空间变化分布。
进一步的模拟能否提供更多的开创性见解？在他们的论文中，团队专注于电极之间电位差给定的电场类型。虽然当前的模型无法解释粒子对电场的影响，但第二种方法可能会解释这种影响。新方法由带电粒子的“云”建立，可以解释一个更具动态的场，穿过颗粒燃烧器的所有部分，直到将颗粒沉积在收集器上为止。
通常，实验仅允许研究人员看到已经沉积的颗粒。考虑到更多的时间和计算资源，Rubinetti说，完整的颗粒燃烧器系统的3D模拟可以比以往任何时候都更清晰地可视化粒子云：他们能够看到带电粒子的实际路径和相互作用。
鲁比尼蒂（Rubinetti）长期表示，他想“进一步开发静电降解器建模方法，以了解外部对流对电离过程的影响，并包括用于粒子充电过程和流体特性（例如密度和粘度）的温度依赖性。”根据研究人员的有希望的结果，他们继续看到改进的机会，设定目标以优化粒子控制技术设计。
进一步的资源
- 查看2017年Comsol会议的论文：“”乐动滚球app下载通过数值建模协助的燃烧粒子控制技术的创新“
- 尝试静电降水器教程模型
- 阅读有关静电建模的更多信息：如何使用电线，表面和固体创建静电模型
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