纤维过滤捕集效率模拟及特性研究

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纤维过滤器的压力损失和捕集效率是纤维过滤器非常重要的性能参数。国内外学者对纤维过滤器的性能研究已经好多年了。虽然有几个模型用于预测过滤器的压力损失和渗透率,但由于部分研究是将实际的纤维过滤器的纤维简化为规则排列的结构,而实际上纤维过滤器内部的纤维结构式呈现随机分布的,所以用这些模型预测真实介质实际结果还有些差距。纤维过滤器的结构参数和运行参数对纤维过滤器的过滤性能起着至关重要的作用。因此研究纤维过滤器的结构参数和运行参数对捕集效率和压力损失的影响具有重要意义。传统的纤维过滤器过滤介质局限在单一的圆形纤维上,随着时代发展生产技术的提高,人们可以生产很对形状复杂的异形纤维来提高纤维过滤器的过滤性能,本文就此研究了异形纤维的捕集效率问题。为获得更真实纤维过滤器的微观结构,本文基于VBA平台编写了生成随机纤维的程序,通过对CAD的二次开发生成了随机纤维滤料模型,采用拉格朗日离散相模型即DPM法对捕集效率、压力损失进行了数值模拟研究,主要研究工作和研究结论包括:(1)通过VBA程序建立多种结构参数的滤料模型,采用拉格朗日离散相模型DPM法对多种纤维过滤器进行数值模拟,并给出了压力损失关联式5-10,随机纤维捕集效率的关联式5-11,5-12,5-13。(2)基于DPM法对单纤维的捕集效率进行了CFD模拟,研究结果表明:随着填充率的增加捕集效率增加,随着斯托克斯数St的增大捕集效率增大,并给出了单纤维捕集效率的关联式3-3,3-19。(3)基于DPM法对异形纤维(圆形,方形和椭圆)的捕集效率进行了CFD模拟,研究结果表明:同等条件下方形纤维的捕集效率最高,圆形次之,椭圆的捕集效率最差。方形纤维压力损失最大,圆形次之,椭圆的压力损失最小。通过分析过滤性能综合指标(质量因子Y)得出方形纤维质量因子最大,即过滤性能最好,圆形、椭圆形较为接近。(4)结构参数和运行参数对纤维过滤器的压力损失和捕集效率的影响很明显,研究结果表明:随着纤维直径的增大,纤维过滤器捕集效率和压力损失都在减小,随着填充率的增大,纤维过滤器捕集效率和压力损失都在增大,随着过滤风速的增大,纤维过滤器捕集效率和压力损失都在增大,随着颗粒直径的增大,捕集效率在增大。(5)拉格朗日离散相模型即DPM法得出的模拟数据与理论对比误差很小,说明DPM法可以很好的表示结构参数和运行参数变化对纤维过滤器的捕集效率的影响,此外DPM法可以使粒子的运行轨迹清晰的显示出来,将纤维过滤器对粒子的捕集直观化,可视化,为以后研究纤维捕集效率提供新的方法。
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