纖維過濾介質結構模型的三維重建及其過濾特性的數值模擬.pdf

1、工業(yè)生產中產生的粉塵顆粒會對環(huán)境和人體健康造成危害，隨著國家對污染物排放標準的逐漸提高以及人們環(huán)保意識的增強，對空氣中的微細顆粒物進行有效的過濾顯得至關重要。纖維過濾材料對顆粒物的過濾能達到國家標準的要求，因此對其過濾性能進行研究可以為過濾介質的優(yōu)化提供依據。
　　本文通過掃描電鏡成像（Scanning Electron Microscopy，SEM）獲得纖維過濾介質的二維截面圖像，利用Matlab對所得圖像進行處理，編寫重建三維

2、過濾介質所需的程序，并與Gambit結合，最終生成以實際過濾介質為基礎的三維模型；通過改變模型的結構參數，包括纖維直徑df、纖維的偏離距離L和前后延伸長度H三個參數，利用響應曲面法分析結構參數和迎面風速對過濾介質氣相場、固體體積分數（Solid Volume Fraction, SVF）和壓力損失的影響，并與經驗模型的結果進行比較；通過CFD-DEM耦合技術，模擬纖維過濾介質內部的氣-固兩相流動，研究纖維與顆粒的特性對顆粒沉積和團聚的影

3、響，改變過濾介質的結構參數以分析其對介質過濾特性（包括壓力損失和過濾效率）的影響，結果表明：
　　（1）本文通過Matlab與Gambit結合重建出的三維過濾介質模型是以實際過濾介質的二維圖像為基礎，重建的模型與實際的過濾介質具有很大的關聯性，對這些模型進行研究為推測實際過濾介質的過濾性能提供了依據。
　?。?）纖維直徑是影響過濾介質SVF和氣相場壓力損失的顯著因素，兩者都隨著纖維直徑的增大而增大。纖維的偏離距離L和前后距離

4、H對SVF的影響很小，但壓力損失隨L和H的增大先增大后減小，在兩者為中水平時達到最大值。
　?。?）纖維過濾介質內部的氣相流場呈現不均勻性。氣相場壓力損失隨著SVF和迎面風速的增大而增大，SVF相同時，不同結構參數的過濾介質壓力損失存在差別，表明過濾介質的壓力損失與纖維的排列方式有關。此外，壓力損失的模擬值與Davies實驗關聯式吻合的較好，誤差小于5％，說明本文的纖維過濾介質數值計算模型是合理的，同時進行的過濾介質內部氣相流場的

5、數值模擬也是可信的。
　?。?）利用CFD-DEM耦合方法對纖維過濾介質內部的氣-固兩相流動進行數值模擬，然后研究過濾介質結構參數的變化對其壓力損失和過濾效率以及顆粒沉積和團聚的影響，過濾介質效率的模擬值與經驗關聯式計算值總體趨勢一致，表明本文的模型是合理的。通過顆粒在纖維上沉積與團聚的模擬圖與實驗觀測圖對比可知，利用CFD-DEM研究顆粒在纖維介質表面沉積與團聚是可行的。
　?。?）在介質過濾階段，顆粒在纖維介質表面沉積的

6、質量隨著過濾時間的增加而增加，當纖維偏離距離L和延伸長度H不變，纖維直徑df增大時，表面過濾的貢獻較大。
　?。?）相對于氣相流場，不同工況下纖維過濾介質在過濾顆粒時的壓力損失均增加，且呈現指數增長的趨勢，表明顆粒的沉積改變了過濾介質內部的孔隙率，從而對介質的壓力損失產生影響。纖維直徑df是影響過濾介質總壓力損失的主要因素，隨著df的增加，總壓力損失增大。纖維偏離距離L和延伸長度H變化時，纖維的排列方式發(fā)生了變化，過濾介質的總壓力