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多纤维过滤器的过滤性能研究与优化
Wei Li, Shengnan Shen, Hui Li
动力与机械学院, 武汉大学, 武汉 430072, 中华人民共和国
摘 要：纤维状介质是最常用的过滤方法，通过压降和过滤效率进行表压。本文采用计算流体动力学（CFD）技术对多纤维过滤器的过滤性能进行了数值模拟。研究了不同纤维排列方式、纤维直径、表面流速和粒径对压降和过滤效率的影响。结果表明，不同粒径的颗粒的过滤效率随表面流速的变化而变化。本文比较了具有相同纤维直径和总固体体积分数（SVF）的层状介质结构。结果表明，在以高压降为代价的情况下，致密-稀疏结构对所有模拟颗粒尺寸的过滤效率最高。然后，对致密-稀疏结构进行优化，通过在前排使用较少的细小纤维并在后排去除一些纤维，从而获得更好的过滤性能。
关键词：多纤维过滤器；过滤性能；优化；计算流体动力学模拟
- 简 介
近年来，工业的快速发展造成了严重的环境污染问题。空气中通常含有有害化学物质（如SO2、NOx）和细悬浮颗粒物（PM），特别是可吸入颗粒物[如PM10（PMle;10 mu;m）和PM2.5（PMle;2.5mu;m）]，对呼吸免疫功能、呼吸和中枢神经系统造成有害影响[1]。PM2.5主要由化石燃料和挥发性有机化合物燃烧产生[2]，对人体呼吸有害[3]。因此，必须采取有效的防护措施，防止有害颗粒物造成伤害。
呼吸防护口罩通常用于避免吸入空气中的粉尘。近年来出现了许多能够防止PM2.5吸入的呼吸防护口罩。N95过滤口罩是目前最常用的PM2.5口罩。然而，目前还没有明确或强制的PM2.5防护口罩分类体系，很多防护口罩在PM2.5过滤测试中表现不佳。因此，需要进一步研究建立高效的PM2.5过滤过滤器。
纤维滤料广泛应用于PM2.5的过滤，其性能优于其它过滤介质。过滤性能通常根据压降和过滤效率来衡量，而压降和过滤效率主要取决于过滤器内部的微观结构和气固流动特性。许多研究者对不同排列的纤维介质中的气固两相流动进行了数值模拟。这些模拟大多使用简单的纤维结构[4-10]并生成二维（2D）纤维介质，而其它模拟则应用不均匀纤维结构[11]并生成三维（3D）层状纤维结构[12]。然而，这些纤维模型并不是基于实际的纤维介质结构，其实际性能仍不清楚。人们提出了各种新颖的方法来建立纤维状介质微观结构的真实信息。一个有用的技术是对嵌入在聚合树脂中的材料进行连续切片成像[13]。所获得的二维图像可以用来虚拟重建原始的三维微观结构[14]。随着上述切片技术的发展，x射线显微镜被用来建立纤维材料的结构和分布[15-17]。同时，磁共振成像（MRI）也被许多研究者用来获得多孔介质的三维图像[18,19]。利用自动连续切片技术、数字体积成像（DVI）技术和有限体积法获得真实无纺布纤维介质[20]的综合方法。Zhu等人利用扫描电子显微镜（SEM）观察纤维状介质的微观结构[21]，利用Matlab和Gambit生成三维模型。这种方法是有优势的，因为纤维结构参数可以用数值方法定义，并且可以分析纤维参数对压降和过滤效率的影响。此外，通过结合计算流体力学（CFD）和颗粒轨迹模拟[4,6,7]、直接数值模拟方法[22,23]、蒙特卡罗模拟[11,24]、格子玻尔兹曼模型[24–28]、采用拉格朗日跟踪算法和流体体积（VOF）求解器[12]、ANSYS–Fluent CFD代码[29,30]或CFD–DEM模型[2,31]，对纤维介质中气固流动模型进行了研究。
然而，这些研究只解决了压降和过滤效率随着纤维结构、固体体积分数以及表面流速和粒径等外部因素的不同而变化。对特定粒径的优化结构尚未研究。此外，上述研究均采用微观几何模型，未考虑纤维介质的厚度。因此，过滤效率的提高是由于纤维介质厚度的增加。超过一定厚度后，过滤阻力和压降迅速增大，过滤性能下降。因此，最佳的PM2.5过滤器应该具有较高的过滤效率和较低的压降。
已有研究成果指出发展过滤理论、提高过滤器的过滤性能具有一定的理论和实际意义。一些研究人员在先前纤维过滤研究的基础上发明了高性能空气过滤器。Liu等人[32]开发了一种对PM2.5过滤效率高的透明空气过滤器。该过滤器具有特殊的微观结构，可实现透明性、高空气流量和高过滤效率。Nemoto[33]提出了一种简单的冷冻干燥工艺，用于生产纳米纤维素和高性能空气过滤器。然而，纤维过滤的研究仍然是一个有意义的课题。因此，以往的研究在实验制造中有很好的应用。更真实的计算模型、更优化的微观结构以及更好地平衡气流和过滤效率的方法都需要探索。
本文研究了多纤维过滤器的过滤性能。首先，建立了并行和交错过滤器的三维模型。利用商用软件ANSYS-Fluent和离散相位模型（DPM）对介质的过滤性能进行了比较。在模拟过程中，考虑了纤维排列、纤维直径、固体体积分数（SVF）、表面流速和粒径。随后将交错设计分为三层，并进行优化以获得更高的过滤性能。优化过滤性能的方法可以为高性能过滤器的生产提供有价值的建议。
- 多纤维过滤器的计算模型
2.1 几何模型与仿真方法
计算模型及边界条件如图1所示。纤维模型采用Gambit软件构建，过滤域长、宽、高分别用L、D、H表示。纤维排列为并行的或交错的结构。在过滤区上游和下游各增加0.5 L，假设其中的气流和颗粒处于无扰动流场。在本模拟中，L、D、H分别为392mu;m、488mu;m、448 mu;m。基准固体体积分数（alpha;）定义为5.6%[27]。
图1 多纤维过滤器的几何模型：（a）并行设计；（b）交错设计
假设气流通过入口进入过滤域，并通过压力出口边界条件离开。考虑了计算域两侧的周期性边界条件[31]。对于纤维表面，假设了无滑移边界条件[2]。通过纤维介质的气流通常被认为是稳态层流[7,20,31]。采用Patankar[34]的有限体积法求解空气流动方程。连续性方程和动量守恒方程如下[20]：
（1）
（2）
式中，rho;、v、p和mu;分别是流体密度、速度、压力和粘度。
得到颗粒自由流场后，将大气悬浮颗粒引入求解域。颗粒体积分数小于10%，可视为离散相。结合得到的流场，用DPM求解器的Lagrangian方法计算了个颗粒的受力情况和运动轨迹，该方法常用于求解多相流问题[35]。作用在颗粒上的主要作用力力是空气阻力、布朗力和重力。球形颗粒在气流中的运动方程可以写成：
（3）
式中为流场的速度矢量，为颗粒的速度矢量，Cc=1 Knp(1.25 0.4e-1.1/)为Cunningham修正系数，式中Knp=2lambda;/dp为颗粒的Knudsen数，dp为颗粒直径，rho;p为颗粒密度，rho;为流场的密度，Gi为从正态分布中选择的0的随机数均值和单位方差，S0是由[36]给出的噪声的相应谱强度，是重力加速度。
本文采用DPM模型对纤维过滤器中的颗粒运动进行模拟。DPM模型假设颗粒在接触纤维表面时被捕获，沉积的颗粒不会影响流场。所以本文只考虑了清洁过滤阶段。在以后的工作中，作者将考虑建立一个更精确的颗粒运动模型，包括捕获、反弹和颗粒间的相互作用。最后，计算被纤维捕获的颗粒数来获得过滤效率。在本文的模拟中，所有颗粒都是具有均匀密度为1000kg /m3[37]的刚性球体，均匀分布在入口平面上，并从入口平面流至流场中。
2.2 模型验证
为了验证该模型，将纤维周围的网格节点数从10个增加到40个，以确保计算结果不受网格数量影响。模型验证时，选择了直径为28mu;m的纤维。这是一个交错模型，表面流速为1.0m/s。相应的网格密度分析结果如图2所示。结果表明，当节点数超过25个时，对过滤器的压降结果没有影响。对于模拟的其它纤维直径，可以根据上述结果按比例选择网格节点数。
对于非常低Re（雷诺数）情况下的不可压缩流动，过滤器中的空气流动遵循Darcy定律[20,37]，这意味着压降与入口的表面流速成正比。Liu和Wang[38]发现，在Re较高时，压降与表面流速之比不是一个常数，而是由于尾迹区的形成和附加能量的耗散，导致压降随着表面流速的增加而增加，。
图2 滤网密度对压降的影响（V =1.0 m/s）
作用在纤维上的无量纲阻力与压降有关，由Liu和Wang[38]提出的公式表达：
（4）
其中Z是纤维厚度，计算固体体积分数为：，V是表面流速，Delta;p是实际的压降。
Kuwabara[39]将交错模型中较低Re情况下的无量纲阻力表示为：
（5）
需要注意的是，上述方程仅适用于低Re。Re定义为：Re=rho;V Lc/mu;[40]，其中rho;为空气密度，V为表面流速，Lc为特征长度，mu;为空气粘度。在标准海平面条件下，空气密度为1.225 kg/m3，空气粘度为1.789105 Pa/s[41]。图3显示了无量纲阻力和Re之间的模拟结果。发现Re=1.0是无量纲阻力的转折点。当Relt;1.0时，阻力基本保持不变。当Regt;1.0时，阻力随Re增大而增大。本文的结果与Wang等人的LB-CA（Lattice Boltzmann单元自动处理）概率模型的结果一致[27]。这些数据还表明，当Relt;1.0[39]时，本文的模拟结果与Kuwabara模型的预测一致。值得注意的是，以下模拟案例的Re均小于1.0，表明惯性效应可以忽略不计[20]。综上所述，这些结果验证了我们的仿真模型。
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图3 不同Re时的无量纲阻力 |
图4 并行设计和交错设计情况面的过滤效率（alpha;=17.2%，V=0.1m/s） |
清洁过滤介质的过滤效率eta;与单纤维过滤效率eta;s和总过滤厚度Z密切相关，多纤维过滤效率通常按Hind[42]公式计算：
（6）
单纤维过滤效率eta;s取决于过滤过程中所涉及的捕获机制。机械单纤维效率可以计算如下[37]：
（7）
式中，eta;R[38]是拦截产生的过滤效率，eta;I[43]是惯性撞击产生的过滤效率，eta;D[44]是布朗扩散产生的过滤效率。
图4对比了并行和交错模型与其它结果的过滤效率。这里使用了与Wang[27]相同的模型。固体体积分数为17.2%。表面流速为0.1m/s。结果表明，当df lt;1mu;m时，过滤效率随df（纤维直径）的增大而减小。当df lt;1mu;m时，过滤效率随df的增大而增大。交错设计的过滤效率更高，尤其是对大颗粒的过滤效率更高。图4还表明，从DPM模型得到的结果与Wang[27]的结果和分析表达式[27,42]的结果基本一致。虽然对并行设计有一定的偏差，但所得结果与Wang[27]对于交错设计的计算结果比较接近。因此验证了仿真方法的可行性。
- 结果与讨论
3.1并行设计与交错设计下过滤性能的比较
压降和过滤效率是两个重要的过滤性能指标。良好的过滤性能的特点是压降小、过滤效率高。图5和图6分别比较了不同表面流速（0.1 m/s到1.0 m/s）下的并行设计和交错设计的过滤性能。其中，纤维直径为20mu;m，固体体积分数为19.63%。选择的颗粒粒径（dp）为1.0 mu;m。
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图5 不同纤维设计的表面流速对压降的影响 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[410064]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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