考虑粒子反弹作用的单纤维过滤捕集效率数值模拟

【摘要】纤维过滤技术对颗粒污染物特别是微细颗粒具有较高的过滤效率,改进过滤介质过滤性能以及优化改良过滤材料设计仍然是当前的研究热点。在以往研究中,简化了模型,忽略粒子碰撞反弹作用,只考虑在惯性碰撞、扩散及静电作用下纤维表面粒子的沉积。本课题拟建立粉尘颗粒在单根纤维上的沉积模型,对颗粒沉积过程及沉积物的结构进行较为系统的模拟研究,在模拟计算中,尝试加入颗粒与纤维的碰撞反弹因素,使得模拟更贴近真实情况。主要研究内容及研究结论如下：(1)采用计算机模拟的方法对考虑粒子反弹作用下单纤维过滤介质表面粒子的沉积进行了模拟,观察粒子在不同H值时的过滤单元形态、颗粒与纤维碰撞后的运动轨迹,并对模拟计算的数值结果做了分析讨论。研究发现,H越小时,颗粒与纤维之间的反弹作用越明显。在稳态过滤时,随着斯托克斯数St的增大,考虑反弹与不考虑反弹的捕集效率在初始都随着St的增大而增大,到某一个St临界值之后,考虑反弹的捕集效率随着St的增大而减小,而不考虑反弹的捕集效率仍然随着St的增大而增大。在非稳态过滤下,随着St数从小到大变化,不考虑颗粒反弹的非稳态阶段的捕集效率初始阶段基本不变,当St数到某个值以后,捕集效率随着St数的变大而变大。而考虑颗粒反弹的捕集效率在初始阶段也是基本不变,当St数到某个值以后,捕集效率随着St数的变大而变小。(2)对影响捕集效率的因素做了正交数值模拟设计,对模拟数据进行了回归,得到稳态过滤阶段纤维捕集效率的拟合计算公式,并做了无量纲优化,得到了无量纲拟合计算式。最后对拟合公式做了非样本检验和文献验证。验证结果表明拟合公式有较强的预报可靠性。(3)观察在不同斯托克斯数St、雷诺数Re,、拦截系数Rp、填充率C下的稳态过滤单元形态、颗粒与纤维碰撞后的运动轨迹,并对模拟计算的数值结果做了讨论,分析了捕集效率随St、Ref、Rp、c的变化关系。在非稳态过滤时,除了以上因素,还需考察沉积量Mc。(4)给出稳态阶段考虑反弹的捕集效率与不考虑反弹的捕集效率的关系式,在St小于等于St临界值的阶段,考虑反弹的捕集效率等于不考虑反弹的捕集效率,且等于文献研究结果；在St大于St临界值阶段,考虑反弹的捕集效率小于不考虑反弹的捕集效率,需对文献研究结果进行修正,修正结果为文献研究结果乘以反弹系数k,k是斯托克斯数、拦截系数、填充率及Hamake常数的函数。对非稳态阶段,给出单纤维的非稳态过滤效率的物理表达式,并与文献中的经验公式做了比较,在两个公式参数的适用范围内,变化趋势及计算结果基本一致。回归得到的b、c值与文献给出值存在差异,其平均值相对误差分别为7.37%与10.02%。
【作者】冯丰；
【导师】付海明；汪振明；
【作者基本信息】东华大学，动力工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】颗粒沉积；颗粒反弹；捕集效率；数值模拟；

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