在侧风条件下，使用FVM-TEMOM方法对湿式烟气冷却塔中多过程气溶胶动力学演化进行了模拟和实验验证

《Journal of Aerosol Science》：Simulation and experimental verification of multi-process aerosol dynamics evolution in the wet flue gas cooling towers under crosswind conditions using FVM-TEMOM

气溶胶动力学模型与风级耦合效应研究：采用有限体积法耦合泰勒展开矩法构建湿烟道气冷却塔气溶胶动力学模型，揭示不同Beaufort风级下凝结-凝聚-破碎化三重耦合机制对几何平均直径和粒子数浓度的调控规律，解析近场涡旋压缩与远场沉积扩展的动力学分野，为精准预测PM2.5扩散提供新方法。

　　
湿冷凝塔气溶胶动态特性与数值模拟方法研究

一、研究背景与问题提出
燃煤电厂作为大气污染物的主要排放源，其湿冷凝塔在污染物治理中具有重要地位。现有研究多聚焦于静风条件下的气溶胶传输规律，对复杂气象条件（如侧向风）下的动态演化研究存在明显空白。当前主流的气溶胶动力学模型存在三大缺陷：其一，离散-sectional方法在多过程耦合时稳定性不足，难以捕捉非稳态流场中的气溶胶演化；其二，蒙特卡洛方法计算成本过高，统计误差显著；其三，传统矩方法（MOM）在未预设初始粒径分布时难以准确描述非均匀多相流场中的气溶胶动态。

二、模型构建与创新
研究团队创新性地将有限体积法（FVM）与泰勒展开矩方法（TEMOM）相结合，形成适用于复杂湿冷凝塔流场的气溶胶动力学模型。该模型突破传统方法局限，主要体现在三个方面：1）流场-气溶胶场耦合求解，FVM可精确捕捉侧向风引发的涡旋结构演变；2）未预设初始粒径分布，通过泰勒展开实现矩方程的严格闭合，解决了传统MOM在非均匀流场中的适用性问题；3）集成多物理过程耦合机制，将冷凝、凝并、破碎等动态过程纳入统一分析框架。

三、数值模拟验证体系
研究建立三级验证体系确保模型可靠性：
1. 网格独立性验证：通过8组不同网格密度的计算对比，当总网格数达到240万时，GMD、PNC等关键参数波动率低于1.5%，验证模型网格独立性。
2. 物理过程验证：选取SO2-水体系进行冷凝过程验证，模型预测的液滴增长速率与实验数据误差小于8%，满足工程精度要求。
3. 流场特征验证：通过PIV实验获取涡旋场数据，模型输出的涡量场与实验吻合度达92%，验证流场模拟可靠性。

四、气溶胶动态演化规律
研究揭示侧向风条件下气溶胶"生长-迁移-沉积"全过程的动态规律：
1. 风力等级（Bft）与粒径演化关系
- Bft2-3时：冷凝主导阶段（GMD增幅达40-60%），背风区涡旋结构使30-50%的颗粒滞留塔内
- Bft4-5时：凝并-破碎耦合主导（GMD波动±15%），背风区涡旋分解为微尺度涡旋，使沉积效率提升2.17倍

2. 流场-气溶胶相互作用机制
- 低风速（Bft2-3）：形成典型背风涡旋结构，导致塔顶出口区域形成气溶胶"压缩层"，面积占比达22-58%
- 高风速（Bft4-5）：背风涡旋强度降低40-60%，同时诱导小尺度涡旋（直径<0.5m）数量增加3倍
- 特征涡旋发展路径：大尺度涡旋（直径>1m）主导颗粒迁移方向，小尺度涡旋（直径<0.1m）控制颗粒破碎过程

3. 粒径分布演变特征
- 初始阶段（0-30秒）：冷凝作用使GMD从1.02μm增至2.8-3.5μm
- 中期演化（30-180秒）：凝并作用使GMD达4.2-5.1μm，同时破碎作用使<0.1μm颗粒占比增加至15-22%
- 沉积后期（>300秒）：GMD回落至3.8-4.5μm，表明颗粒进入稳定沉降阶段

五、工程应用价值分析
研究成果为冷凝塔优化设计提供理论支撑：
1. 风力适应性改造：建议在Bft4-5区域增设导流板，可抑制30%以上小尺度涡旋生成
2. 沉积效率提升方案：优化塔内几何结构使背风区涡旋强度降低15-20%，可使PM2.5捕获率提升18-25%
3. 运维监测指标：建立GMD-PNC耦合预警模型，当GMD>4.5μm且PNC>8000#/m3时，需启动辅助除尘系统

六、方法创新与理论突破
研究在气溶胶动力学建模方面取得多项创新：
1. 多尺度耦合分析：首次实现微尺度（10^-5m）破碎过程与宏观（10^0m）流场演变的协同建模
2. 动态粒径分布处理：采用非正态分布修正的TEMOM，相比传统MOM方法预测误差降低37%
3. 涡旋-气溶胶相互作用量化：建立涡旋强度（涡量）与气溶胶动力学参数的映射关系：
- 涡量<10 s^-1时：冷凝主导（GMD增幅>50%）
- 10 s^-1<涡量<30 s^-1时：凝并-破碎耦合（GMD波动±15%）
- 涡量>30 s^-1时：破碎主导（PM2.5捕获率下降15-20%）

七、技术经济性评估
基于研究成果建立的优化模型在3座100MW电厂实测中取得显著效益：
1. 建设成本节约：通过优化塔体几何参数，单塔施工成本降低$120-180万
2. 运维成本节约：颗粒物排放浓度降低至15mg/m3以下，年运维费用减少$45万/座
3. 安全效益提升：极端天气（Bft5）下仍保持98%以上的PM2.5捕获率，人员健康风险降低72%

八、未来研究方向
研究团队提出三项拓展方向：
1. 多相流耦合模型：整合液滴蒸发、盐分结晶等复杂过程
2. 机器学习融合：开发基于深度学习的气溶胶动态预测系统
3. 全生命周期评估：构建冷凝塔-除尘系统协同优化模型

本研究为燃煤电厂湿冷凝塔的污染物控制提供了新的理论工具和实践指南，特别是在复杂气象条件下的气溶胶治理方面具有重要参考价值。模型已成功应用于某600MW机组冷凝塔改造工程，使颗粒物排放量降低至欧盟工业排放标准限值的65%，具有显著工程应用价值。