Page 7 - 《应用声学》2022年第5期

第 41 卷 第 5 期 陈子越等： 声波团聚技术发展现状及在火灾消烟应用前景 683

年，赵云等 [23] 将燃煤烟气置于 167 dB 的高强声场 普遍认为同向团聚机理、声波尾流效应是团聚过程
下，发现 PM 2.5 脱除率接近100%，即完成完全脱除。 中最关键的机理 [38] 。除此之外，声致湍流也是学者
2019 年，Fan 等 [24] 将目光投向团聚颗粒本身，发现 们研究的重点。
颗粒的粒径若存在明显差异，将不会发生碰撞团聚。
2020年，Shi 等 [25] 通过对声场压力、温度的研究，发 ᰴूܦڤͻၹ
现细颗粒物可在高温高压的环境中保持较高的团
聚效率，表明声波团聚受环境因素较小。2020年，赵
天昊 [26] 尝试将声波团聚与除尘装置结合起来，研 ڄᐑҒ ڄᐑՑ
发一种可处理极细颗粒的除尘装置，从根本上解决 图 1 声波团聚过程示意
粉尘污染。 Fig. 1 Acoustic wave agglomeration process
此外，从近年的研究中不难看出，学者们的研
同向团聚机理由 Mednikov 等 [13] 在 1965 年提
究逐渐多元化，表现为将声波团聚技术与其他团聚
出，表现形式如图2所示。该机理的基础是粒径大小
方式进行耦合。2014年，颜金培等 [27] 将蒸汽相变与
不同的颗粒惯性存在差异，受振荡气体介质的挟带
声波进行耦合，将细颗粒的团聚效率从 40% 增长到
程度也不同。在声场中，粒径较小的颗粒易被挟带，
80%，一定程度上证明了多元耦合的可行性。2018
粒径较大的颗粒不易被挟带。这将导致大小颗粒之
年，祖坎 [28] 利用数值模拟，将声场和声雾进行耦合，
间的相对运动，从而发生碰撞和团聚 [39] 。该机理的
得到细颗粒的粒径变化趋势，为之后可能进行的多
提出，引发了学者对颗粒挟带程度的兴趣。Temkin
场耦合作用提供思路。2020年，陶威等 [29] 发现声波
等 [40] 通过实验总结出了不可压缩、黏性流体的颗
与喷雾耦合之后，能耗有所下降，适应了我国节能减
粒挟带函数。Song 等 [41] 对粒径较大的颗粒进行研
排的政策。2021年，张宇擎等 [30] 将声波与化学团聚
究，由实验数据进一步发展了颗粒挟带函数。
进行耦合，发现团聚速率有了显著提高。此外，也有
学者利用多场协和作用来处理一些难处理的细颗
粒 [31] 。
还有一些学者对声波团聚在实际工程领域的
(a) t=0 (b) t/T⊳
可行性进行了探索。早在20世纪50年代，国外便有
人将声波团聚技术运用于工业领域 [32] 。2017年，解
建坤等 [33] 依据声波团聚技术，开发了一种新型工
业装置，对电厂生产过程中产生的细颗粒进行有效 (c) t/T⊳ (d) t/T⊳
处理。在 2019 年，国内有公司将声波团聚技术应用
于转炉烟气除尘，成功实现超低排放 [34] 。2020 年，
Zhang等 [35] 在经过广泛而深入的研究后，首次将声
(e) t/T
波团聚运用于火灾烟雾控制领域，为火场消烟提供
了新的思路，引发了众多学者的兴趣。最近，曹志勇 图 2 同向团聚机理示意
等 [36] 发现声波团聚可在短时间内有效消除电站发 Fig. 2 Synthetic aggregation mechanism schematic
生火灾时的烟雾，进一步验证了声波团聚技术在火
虽然同向团聚机理较好地解释了声波团聚的
灾烟雾控制领域的可行性。
过程，但该机理忽略了颗粒的形状等因素。Dong
1.2 声波团聚机理 等 [42] 也发现颗粒重力在声波团聚过程中不可忽视，
声波团聚是指在高强声场的持续作用下，气溶 因此研究其他团聚机理仍很有必要。
胶颗粒之间发生碰撞，使气溶胶的平均粒径值在短 声波尾流效应由 Dianov 等 [43] 在 1968 年提出，
时间内迅速提高，显著降低气溶胶的数量浓度的过 是指颗粒在流场中因压力差而碰撞团聚 [44] ，表现形
程 [37] 。该过程如图1所示。 式如图 3 所示。颗粒在声场中做往复运动时，后方
近百年来，国内外学者在深入研究声波团聚现 会形成一个低压尾流区。当某一颗粒进入另一颗粒
象后，归纳出多种解释机理。在这些机理中，学者们 的低压尾流区时，其运动阻力将会下降，从而加速向