【摘 要】
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纤维过滤作为过滤空气中有害颗粒物的成本低廉且有效的方法已经广泛应用于化工等多种工程领域,随着过滤需求的提高,有必要对纤维系统内部流场及过滤特性进行研究,作为过滤性能优化的理论基础。但针对具有更大比表面积、更高机械强度Y型纤维的过滤研究亟待深入,为明确Y型纤维的过滤特性,并对Y型纤维介质的过滤性能优化做出理论指导,本文综合实验与数值模拟研究,开展了复杂纤维介质的三维模型重建及过滤特性研究。通过CT扫
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纤维过滤作为过滤空气中有害颗粒物的成本低廉且有效的方法已经广泛应用于化工等多种工程领域,随着过滤需求的提高,有必要对纤维系统内部流场及过滤特性进行研究,作为过滤性能优化的理论基础。但针对具有更大比表面积、更高机械强度Y型纤维的过滤研究亟待深入,为明确Y型纤维的过滤特性,并对Y型纤维介质的过滤性能优化做出理论指导,本文综合实验与数值模拟研究,开展了复杂纤维介质的三维模型重建及过滤特性研究。通过CT扫描实验获取了纤维滤棒三维结构点云信息,实体化处理后建立了与真实滤棒孔隙率误差不超过7%的计算模型,并开展了气体扩散过程的数值模拟,再以滤棒压降实验为基准,将三维重建模拟结果、理论计算结果和传统多孔介质模型计算结果进行比较。与实验测量值相比,三维重建模拟结果偏差仅为31.7%,而理论计算值和多孔介质模型计算值偏差值分别为135.32%和95.93%,由三维重建模型得到的数值模拟结果更精确。使用CFD-DEM耦合方法对纤维滤棒内的颗粒过滤过程开展数值模拟,研究了不同流速下其流场及过滤特性的变化规律。并将颗粒模拟结果与滤棒颗粒过滤效率实验结果进行对比,二者具有较好的吻合性。基于三维重建模型开展纤维过滤介质数值研究的方法可以实现对纤维滤棒过滤参数的良好预测。研究了排布结构、纤维异形度、初始流速及颗粒粒径等参数对纤维阵列过滤特性的影响。其中排布结构与初始流速会显著提高阵列的过滤效率,前密后疏结构与0.49m/s的初始流速能够将阵列过滤效率提升至80%,且只产生较低压降,具有较高的品质因数;而纤维异形度与颗粒粒径主要影响颗粒的沉积行为,对于过滤效率的影响十分有限,二者过滤效率均维持在45%。
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