单纤维非稳态过滤的捕集效率及压降特性研究

摘要

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，而单纤维过滤机理的研究对获得纤维过滤器性能参数的意义格外重要。单纤维过滤的研究分为稳态和非稳态两块，以往的理论和实验都表明非稳态过滤过程更符合纤维过滤的实际情况，国内外学者对单纤维非稳态过滤的研究已经进行了好多年，虽然有几个能用于预测单纤维非稳态过滤捕集效率及压力损失的模型，但都不够完整准确，且实验过程也不能具体形象地说明单纤维非稳态过滤过程中纤维形态、捕集效率及压力损失的变化情况。因此，对单纤维非稳态过滤过程的计算机模拟研究有着重要的意义。本文就此用计算机模拟研究了二维及三维情况下，单纤维过滤过程中捕集效率及压力损失的变化情况，并着重研究非稳态过滤过程中的变化。
　　为获得更加真实的单纤维非稳态过滤过程的纤维树枝模型，本文应用基于Kuwabara流场编写的程序，来生成单纤维非稳态过滤各阶段的模型，再通过CAD的二次开发及网格划分生成可用于Fluemt模拟的模型，然后采用DPM（拉格朗日离散相模型）法对捕集效率、压力损失进行数值模拟研究，主要研究工作和研究结论包括：
　　（1）通过基于Kuwabara流场编写的程序，生成单纤维非稳态过滤各个阶段的一系列模型，采用CFD方法模拟其流场，并用DPM方法对其捕集效率进行数值模拟，分析捕集效率和压力损失随颗粒沉积的变化关系。
　　（2）基于DPM方法对二维单纤维非稳态过滤模型的捕集效率及压力损失进行了CFD模拟，研究结果表明：随着颗粒不断在单纤维表面沉积，二维单纤维树枝模型的维数、当量直径及迎风面上的最大横截面积都逐渐增大，捕集效率和压力损失也不断增加，通过对比发现捕集效率及压力损失的变化与单纤维粉尘树枝迎风面最大横截面积的变化相关性最大，且单纤维树枝模型在迎风面上形成的面积越大，则越有利于捕集，而压力损失也越大。
　　（3）基于DPM方法对三维单纤维非稳态过滤模型的捕集效率及压力损失进行了CFD模拟，分析了颗粒沉积形态、St数、无量纲粒径Nr及纤维的雷诺数Ref对含尘情况下单纤维捕集效率及压力损失的影响。研究结果表明：在沉积的初始阶段，St数对单纤维捕集效率起决定作用，St数越大，捕集效率越高；随着过滤的进行，单纤维的捕集效率及压力损失都随沉积颗粒数的增加而增加，其线性关系及增长的幅度与St数、Ref和Nr有关，且相同情况下，沉积的颗粒在迎风面上形成的横截面积越大，则越有利于颗粒的捕集，造成的压力损也越大；通过数据回归，并基于单纤维稳态的过滤理论公式，得出单纤维非稳态过滤的理论关联式5-4。

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第一章 绪 论

1.1 问题的提出

1.2 纤维过滤介质的捕集机理

1.3 纤维过滤效率的经验模型

1.4纤维压力损失经验模型

1.5 纤维过滤理论研究现状及发展概况

1.6 本课题的主要研究内容

第二章 单纤维过滤模型的建立及CFD模拟方法

2.1流体流动和基本传热方程组

2.2 Kuwabara模型

2.3 气相CFD模拟方法研究

2.4 单纤维非稳态过滤过程捕集效率及压降的CFD模拟

2.5 本章小结

第三章 单纤维模型稳态过滤过程的捕集效率及压力损失研究

3.1 单纤维模型稳态过滤的CFD模拟结果

3.2 单纤维稳态过滤过程的捕集效率

3.3 单纤维稳态过滤过程的压力损失

3.4 本章小结

第四章 二维单纤维模型非稳态过滤过程的捕集效率及压力损失研究

4.1 CFD模拟结果

4.2 二维单纤维模型非稳态过滤过程的捕集效率变化分析

4.3 二维单纤维模型非稳态过滤过程的压力损失变化分析

4.4 本章小结

第五章 三维单纤维模型非稳态过滤过程的捕集效率及压力损失研究

5.1 三维单纤维模型的捕集效率及压力损失计算

5.2 CFD模拟结果

5.3 三维单纤维模型非稳态过滤过程的捕集效率变化分析

5.4 三维单纤维模型非稳态过滤过程的压力损失变化分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 课题结论

6.2 展望

参考文献

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