郭颖a， 张意岚b， 王建军b， 许伟伟b， 畅元江a， 刘洋b
中国石油大学（华东） a.机电工程学院， b.新能源学院， 山东 青岛 266580
引用格式：
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DOI：10.13732/j.issn.1008-5548.2026.03.001
收稿日期： 2025-03-31， 修回日期： 2025-06-30，上线日期： 2025-09-08。
基金项目： 国家自然科学基金项目，编号：52476043。
第一作者简介： 郭颖（1976—），女，讲师，博士生，研究方向为安全工程及机械设计、多相流动与分离技术。E-mail：Guoying1976@upc.edu.cn。
通信作者简介： 王建军（1971—），男，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为气固-气液、多相流动过程及旋流分离技术。E-mail：wangjj01@upc.euc.cn。
摘要： 【目的】 为了研究烟气轮机内催化剂颗粒结垢机制，探讨超细颗粒在烟气轮机叶片表面的沉积特性。【方法】 结合实验与数值模拟方法，调节单叶片绕流沉积实验装置中的入口流量、入口颗粒浓度、叶片表面粗糙度及壁面材质，分析颗粒在叶片表面的沉积特性；实验研究采用单叶片绕流沉积装置，数值模拟使用Fluent软件，以及RNG k-ε湍流模型和离散相模型（discrete phase model， DPM），基于临界应力模型、耦合滚动脱附模型，实现气固两相流场及动态沉积过程的求解。【结果】 通过分析实验与数值模拟结果，得到入口流量、入口颗粒浓度、叶片表面粗糙度以及壁面材质对颗粒沉积特性的影响机制，实验结果与数值模拟结果吻合度高；当加料质量浓度为40 g/m3、叶片表面粗糙度为0 μm时，随着入口流量增大，压力面上颗粒沉积加剧，脱附面积增大，吸力面上沉积区域基本不变；当入口体积流量为1 200 m3/h时，随着颗粒浓度增大，压力面与吸力面上的沉积质量都呈增大趋势；当入口体积流量为1 600 m3/h、加料质量浓度为40 g/m3时，各粗糙度下粒度分布基本相同，与入口颗粒粒度分布曲线几乎重合；与颗粒层壁面相比，金属壁面在压力面和吸力面上的脱附质量均较大。【结论】 表面粗糙度仅对初始沉积层的沉积质量有所影响，后续沉积特性由颗粒层主导；入口颗粒浓度的增大会使压力面和吸力面上的沉积质量都增加；入口流量对颗粒沉积呈双重影响，颗粒速度与接触应力的增大会促进沉积，气流剪切作用的增强导致脱附加剧；颗粒层的存在加剧脱附难度，促进沉积。
关键词： 超细颗粒； 颗粒沉积； 烟气轮机
Abstract
Objective In the modern petroleum refining industry， the flue gas turbine serves as a critical component in catalytic cracking units. However， ultrafine particles，smaller than 10 μm，that are not captured by the third-stage cyclone，tend to deposit on the surfaces of turbine blades. This leads to rotor dynamic imbalance and excessive shaft vibration， thereby compromising operational safety and significantly reducing both the energy recovery efficiency and economic performance of the unit. Therefore， it is crucial to investigate the gas-solid two-phase flow field within the flue gas turbine，as well as the dynamic behavior and deposition characteristics of particles on blade surfaces.
Methods The experiments were conducted in combination with numerical simulations. A cold-state laboratory model was employed to study particle deposition.High-viscosity talc powder was used to simulate the deposition characteristics of industrial gas turbine particles under high-temperature， low-concentration， and long-duration conditions by replicating a high-concentrati-on， short-duration gas-solid two-phase flow. A single-blade flow-around deposition device was constructed based on the actual structure of the gas turbine impeller. Experimental parameters，including inlet flow rate， inlet particle concentration， and blade surface roughness，were varied to analyze their effects on particle deposition behavior. Numerical simulations were conducted using Fluent software， employing the RNG k-ε turbulence model and the discrete phase model （DPM）. A critical stress model， implemented through a user-defined function （UDF）， was coupled with a rolling detachment model to simulate the gas-solid two-phase flow field and the dynamic deposition process.
Results and Discussion Using the single-blade flow-around deposition experimental device， the effects of blade surface roughness， inlet flow rate， and inlet particle concentration on particle deposition characteristics were investigated. When the blade surface roughness was varied， the deposition patterns on the pressure and suction sides remained largely unchanged under the given experimental conditions. Regarding deposition mass， the pressure side showed minimal variation with increasing roughness， while the suction side exhibited a slight decreasing trend. The particle size distribution of the deposited particles was largely unaffected by surface roughness. When the inlet flow rate increased， the deposition-free area on the edge of the pressure side expanded，while particle detachment decreased. On the suction side， the deposition area remained nearly unchanged，with a significantly smaller deposition thickness than that on the pressure side. Asthe inlet particle concentration increased， the deposition mass on the pressure side gradually increased， while that on the suction side first decreased and then increased. Numerical simulations were used to obtain the gas-phase flow field and particle trajectories. By setting the inlet flow rates to1 200 m3/h and 1 600 m3/h， the distributions of particle deposition and detachment mass were obtained， showing good agreement with the experimental results. Additionally， the effect of wall material on particle deposition was assessed. For the same particles， deposition onto an existing particle layerled to reduced detachment and enhanced particle deposition.
Conclusion Surface roughness primarily affects the formation of the initial deposition layer， while the subsequent deposition process is dominated by the particle layer. An increase in inlet particle concentration results in increased deposition mass on both the pressure and suction sides. The inlet flow rate exerts a dual effect on particle deposition： increased particle velocity and contact stress promote deposition， whereas enhanced airflow shear stress intensifies particle detachment. Once the particle layer is established， it reduces detachment difficulty and promotes further deposition.
Keywords： ultrafine particle； particle deposition； flue gas turbine
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