纖維過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的三維重建及其過(guò)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(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康造成危害，隨著國(guó)家對(duì)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的逐漸提高以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)空氣中的微細(xì)顆粒物進(jìn)行有效的過(guò)濾顯得至關(guān)重要。纖維過(guò)濾材料對(duì)顆粒物的過(guò)濾能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此對(duì)其過(guò)濾性能進(jìn)行研究可以為過(guò)濾介質(zhì)的優(yōu)化提供依據(jù)。
　　本文通過(guò)掃描電鏡成像（Scanning Electron Microscopy，SEM）獲得纖維過(guò)濾介質(zhì)的二維截面圖像，利用Matlab對(duì)所得圖像進(jìn)行處理，編寫(xiě)重建三維

2、過(guò)濾介質(zhì)所需的程序，并與Gambit結(jié)合，最終生成以實(shí)際過(guò)濾介質(zhì)為基礎(chǔ)的三維模型；通過(guò)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(zhǎng)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(duì)過(guò)濾介質(zhì)氣相場(chǎng)、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(guò)CFD-DEM耦合技術(shù)，模擬纖維過(guò)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(duì)顆粒沉積和團(tuán)聚的影

3、響，改變過(guò)濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以分析其對(duì)介質(zhì)過(guò)濾特性（包括壓力損失和過(guò)濾效率）的影響，結(jié)果表明：
　?。?）本文通過(guò)Matlab與Gambit結(jié)合重建出的三維過(guò)濾介質(zhì)模型是以實(shí)際過(guò)濾介質(zhì)的二維圖像為基礎(chǔ)，重建的模型與實(shí)際的過(guò)濾介質(zhì)具有很大的關(guān)聯(lián)性，對(duì)這些模型進(jìn)行研究為推測(cè)實(shí)際過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾性能提供了依據(jù)。
　?。?）纖維直徑是影響過(guò)濾介質(zhì)SVF和氣相場(chǎng)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(duì)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。
　　（3）纖維過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部的氣相流場(chǎng)呈現(xiàn)不均勻性。氣相場(chǎng)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(guò)濾介質(zhì)壓力損失存在差別，表明過(guò)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(shuō)明本文的纖維過(guò)濾介質(zhì)數(shù)值計(jì)算模型是合理的，同時(shí)進(jìn)行的過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部氣相流場(chǎng)的

5、數(shù)值模擬也是可信的。
　?。?）利用CFD-DEM耦合方法對(duì)纖維過(guò)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(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)其壓力損失和過(guò)濾效率以及顆粒沉積和團(tuán)聚的影響，過(guò)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(shì)一致，表明本文的模型是合理的。通過(guò)顆粒在纖維上沉積與團(tuán)聚的模擬圖與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)圖對(duì)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(guò)濾階段，顆粒在纖維介質(zhì)表面沉積的

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