纖維過濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的三維重建及其過濾特性的數(shù)值模擬.pdf

1、工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)的逐漸提高以及人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，對空氣中的微細(xì)顆粒物進(jìn)行有效的過濾顯得至關(guān)重要。纖維過濾材料對顆粒物的過濾能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此對其過濾性能進(jìn)行研究可以為過濾介質(zhì)的優(yōu)化提供依據(jù)。
　　本文通過掃描電鏡成像（Scanning Electron Microscopy，SEM）獲得纖維過濾介質(zhì)的二維截面圖像，利用Matlab對所得圖像進(jìn)行處理，編寫重建三維

2、過濾介質(zhì)所需的程序，并與Gambit結(jié)合，最終生成以實(shí)際過濾介質(zhì)為基礎(chǔ)的三維模型；通過改變模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(gè)參數(shù)，利用響應(yīng)曲面法分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和迎面風(fēng)速對過濾介質(zhì)氣相場、固體體積分?jǐn)?shù)（Solid Volume Fraction, SVF）和壓力損失的影響，并與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)果進(jìn)行比較；通過CFD-DEM耦合技術(shù)，模擬纖維過濾介質(zhì)內(nèi)部的氣-固兩相流動(dòng)，研究纖維與顆粒的特性對顆粒沉積和團(tuán)聚的影

3、響，改變過濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以分析其對介質(zhì)過濾特性（包括壓力損失和過濾效率）的影響，結(jié)果表明：
　　（1）本文通過Matlab與Gambit結(jié)合重建出的三維過濾介質(zhì)模型是以實(shí)際過濾介質(zhì)的二維圖像為基礎(chǔ)，重建的模型與實(shí)際的過濾介質(zhì)具有很大的關(guān)聯(lián)性，對這些模型進(jìn)行研究為推測實(shí)際過濾介質(zhì)的過濾性能提供了依據(jù)。
　?。?）纖維直徑是影響過濾介質(zhì)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(shí)達(dá)到最大值。
　?。?）纖維過濾介質(zhì)內(nèi)部的氣相流場呈現(xiàn)不均勻性。氣相場壓力損失隨著SVF和迎面風(fēng)速的增大而增大，SVF相同時(shí)，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的過濾介質(zhì)壓力損失存在差別，表明過濾介質(zhì)的壓力損失與纖維的排列方式有關(guān)。此外，壓力損失的模擬值與Davies實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式吻合的較好，誤差小于5％，說明本文的纖維過濾介質(zhì)數(shù)值計(jì)算模型是合理的，同時(shí)進(jìn)行的過濾介質(zhì)內(nèi)部氣相流場的

5、數(shù)值模擬也是可信的。
　?。?）利用CFD-DEM耦合方法對纖維過濾介質(zhì)內(nèi)部的氣-固兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，然后研究過濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對其壓力損失和過濾效率以及顆粒沉積和團(tuán)聚的影響，過濾介質(zhì)效率的模擬值與經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)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(tuán)聚的模擬圖與實(shí)驗(yàn)觀測圖對比可知，利用CFD-DEM研究顆粒在纖維介質(zhì)表面沉積與團(tuán)聚是可行的。
　?。?）在介質(zhì)過濾階段，顆粒在纖維介質(zhì)表面沉積的

6、質(zhì)量隨著過濾時(shí)間的增加而增加，當(dāng)纖維偏離距離L和延伸長度H不變，纖維直徑df增大時(shí)，表面過濾的貢獻(xiàn)較大。
　?。?）相對于氣相流場，不同工況下纖維過濾介質(zhì)在過濾顆粒時(shí)的壓力損失均增加，且呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢，表明顆粒的沉積改變了過濾介質(zhì)內(nèi)部的孔隙率，從而對介質(zhì)的壓力損失產(chǎn)生影響。纖維直徑df是影響過濾介質(zhì)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(shí)，纖維的排列方式發(fā)生了變化，過濾介質(zhì)的總壓力