單纖維和隨機(jī)多纖維過濾特性模擬研究

陳昌江,閆 祥,徐毓亞

(1.鹽城市纖維檢驗(yàn)所,江蘇 鹽城224052;2.鹽城三維思濾料有限公司,江蘇 鹽城224500)

0 引言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展也帶來(lái)了環(huán)境的破壞,生態(tài)的危機(jī),構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展,是當(dāng)今全球共同關(guān)注的議題,隨著我國(guó)GB3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施[1],國(guó)家對(duì)大氣污染物排放要求日趨嚴(yán)格。纖維過濾介質(zhì),作為目前應(yīng)用最廣的氣體過濾材料,在空氣凈化中發(fā)揮著重要的作用,因此對(duì)于單纖維和隨機(jī)多纖維過濾機(jī)理的研究是目前研究的重點(diǎn)。本文基于Open-FOAM軟件對(duì)單纖維和隨機(jī)多纖維過濾介質(zhì)的過濾特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究,為纖維過濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和過濾機(jī)理的研究提供參考。

纖維過濾的應(yīng)用最早可以追溯到古代,當(dāng)時(shí)中國(guó)的紡織業(yè)領(lǐng)先于全世界,對(duì)于過濾理論與機(jī)理的研究早在上世紀(jì)50年代就已經(jīng)開始了,早先對(duì)纖維過濾介質(zhì)的研究以實(shí)驗(yàn)為主,并且研究對(duì)象由簡(jiǎn)單到復(fù)雜。目前,單纖維過濾理論發(fā)展最為全面,國(guó)外學(xué)者Davies[2]在分析了前人的過濾理論研究后,提出了一種新型的單纖維過濾理論,通過將擴(kuò)散效應(yīng)、攔截效應(yīng)以及慣性碰撞效應(yīng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合得出新的纖維過濾實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,該理論沿用至今,但是該理論受到小雷諾數(shù)的制約。其后,Friedlander[3]發(fā)展了單纖維過濾理論,研究在較大雷諾數(shù)條件下顆粒物的慣性碰撞,重力效應(yīng)、纖維攔截以及擴(kuò)散效應(yīng)下的顆粒物沉積形態(tài),為單纖維過濾理論發(fā)展再添新章。國(guó)內(nèi)對(duì)于單纖維過濾理論的研究起步較晚,但近些年通過數(shù)值模擬技術(shù)有了較多的成果,李水清等[4-5]采取DEM方法模擬了顆粒物在單纖維上沉積過程,模擬出了顆粒物之間的碰撞、顆粒物與纖維之間的黏附效應(yīng),取得了較好的結(jié)果;付海明等[6-7]通過編程模擬單纖維表面顆粒物的沉積、生長(zhǎng)和擴(kuò)散等過程,分析了多項(xiàng)無(wú)量綱參數(shù)對(duì)顆粒物沉積形態(tài)的影響。單纖維的理論研究往往比較單一,而且該理論并不能很好地應(yīng)用于隨機(jī)多纖維過濾研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,纖維過濾理論更傾向于復(fù)雜化、隨機(jī)化以及應(yīng)用化發(fā)展,因此,隨機(jī)多纖維理論得到廣泛關(guān)注。

Hosseini等[8]基于隨機(jī)算法建立了微觀三維模型,基于CFD-DPM模型追蹤固體顆粒的運(yùn)動(dòng)情況,很好地描述出了顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡;Sambaer等[9-10]提出了一種利用相應(yīng)的SEM圖像構(gòu)建三維纖維過濾介質(zhì)模型的新方法;Wang等[11-13]創(chuàng)新性地使用格子-玻爾茲曼法(Lattice Boltzmann Method)對(duì)于二維圓柱纖維模型(平行和交錯(cuò)排列)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究;錢付平等[14-15]采用CFD-DEM模型用于模擬平板纖維過濾介質(zhì)中氣-固兩相流的雙向耦合,很好地模擬出粉塵顆粒在纖維表面的沉積,得到了較為理想的結(jié)果;Yue等[16]也建立了三維隨機(jī)結(jié)構(gòu)的纖維過濾器,利用CFD-DEM模擬平板型過濾介質(zhì)內(nèi)部流場(chǎng)并計(jì)算過濾介質(zhì)的過濾效率和壓降。

基于纖維過濾介質(zhì)微觀形態(tài),分別建立了單纖維和隨機(jī)多纖維過濾介質(zhì)的微觀3D模型,利用Open-FOAM軟件對(duì)兩種模型內(nèi)部氣-固兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬。通過網(wǎng)格依賴性和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性,分析在不同粒徑和不同單位沉積量條件下纖維過濾介質(zhì)的過濾效率,得出相關(guān)纖維過濾介質(zhì)的過濾機(jī)理,為深入研究單纖維過濾發(fā)展隨機(jī)多纖維過濾機(jī)理提供一定的理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型建立

1.1 單纖維模型

如圖1所示,通過對(duì)比實(shí)際纖維過濾介質(zhì)的微觀掃描電鏡圖片(圖1(a))可知,某單根纖維形態(tài)與膨脹的直線(圓柱體)十分相似,因此將單纖維數(shù)值計(jì)算模型近似地簡(jiǎn)化為圓柱體(圖1(b))。隨后將建立好的stl格式模型導(dǎo)入Open FOAM,運(yùn)用Open FOAM里面子庫(kù)網(wǎng)格劃分工具blockmesh對(duì)其進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分,得到單根纖維網(wǎng)格劃分后的文件(圖1(c))。

1.2 隨機(jī)多纖維模型

目前的計(jì)算機(jī)水平,建立纖維過濾介質(zhì)的單纖維模型十分簡(jiǎn)單,但要建立出與真實(shí)纖維十分一致的隨機(jī)多纖維3D模型相對(duì)較難。如圖2所示,通過獲取纖維過濾介質(zhì)切片,確定纖維端面的準(zhǔn)確位置和中心線的位置,通過端面位置固定在兩端的中心獲取隨機(jī)變換曲率的曲線簇,根據(jù)曲線簇通過MATLAB軟件變成生成隨機(jī)多纖維過濾介質(zhì)微觀3D模型(圖2(b)),并將模型通過ANSYS-ICEM軟件對(duì)其進(jìn)行混合網(wǎng)格的劃分,并對(duì)纖維區(qū)域進(jìn)行加密處理(圖2(c))。

圖1 單纖維模型建立及網(wǎng)格劃分

圖2 計(jì)算邊界設(shè)定

纖維過濾介質(zhì)的數(shù)值計(jì)算模型是由簡(jiǎn)到繁的過程,模擬初期對(duì)纖維過濾介質(zhì)的建模絕大多數(shù)是二維或者單纖維的模型,其后纖維過濾介質(zhì)的三維建模技術(shù)有很大的提升,近些年,纖維過濾介質(zhì)的微觀3D建模技術(shù)得到較好的發(fā)展。除了模型的越來(lái)越貼近與真實(shí)纖維過濾介質(zhì)微觀形態(tài),隨著CFD模擬技術(shù)的發(fā)展,對(duì)于纖維過濾介質(zhì)也從單相發(fā)展到多相。

2 數(shù)值模擬驗(yàn)證

2.1 模擬邊界設(shè)置

在進(jìn)行OpenFOAM中MPPICFoam求解器計(jì)算時(shí),為了能夠讓氣流場(chǎng)穩(wěn)定后注入顆粒,氣流從入口(Inlet)注入,固體顆粒物從內(nèi)部面注入,顆粒和氣體從同一出口(Outlet)逃逸。計(jì)算區(qū)域四周的邊界均設(shè)為對(duì)稱邊界條件(Symmetry),纖維表面邊界設(shè)置為無(wú)滑移固壁邊界條件。圖3為單纖維和多纖維過濾介質(zhì)邊界條件設(shè)置。

圖3 計(jì)算邊界設(shè)定

2.2 網(wǎng)格依賴性驗(yàn)證

建立纖維過濾介質(zhì)微觀過濾性能的數(shù)值模型是比較精細(xì)的過程,網(wǎng)格的數(shù)量直接影響到模擬計(jì)算速率與精確度,分別對(duì)單纖維六面體網(wǎng)格以及隨機(jī)多纖維四面體六面體混合網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格依賴性驗(yàn)證。通過分析壓降的變化趨勢(shì)來(lái)判斷網(wǎng)格數(shù)量對(duì)于纖維過濾介質(zhì)模擬結(jié)果的影響(圖4)。

圖4 網(wǎng)格數(shù)量對(duì)壓力損失的影響

通過對(duì)比單根纖維周圍不同網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)量對(duì)纖維過濾介質(zhì)前后過濾壓降的影響,由圖4中可以看出,單纖維和隨機(jī)多纖維網(wǎng)格中,單根纖維一周的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為20以后均達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài),綜合模擬計(jì)算速率與模擬精確性,選擇20點(diǎn)為網(wǎng)格數(shù)量用于數(shù)值模擬,單纖維過濾介質(zhì)網(wǎng)格數(shù)量保持在5萬(wàn)左右,隨機(jī)多纖維網(wǎng)格數(shù)量大致為100萬(wàn)。

2.3 過濾實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由圖5可以看出,選取單纖維和隨機(jī)多纖維模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,用于判斷模擬結(jié)果的精確性,從圖形的變化趨勢(shì)中可以看出,入口速度對(duì)纖維過濾介質(zhì)過濾壓降具有很大的影響,隨著入口風(fēng)速增大,纖維過濾介質(zhì)壓降越大,且呈線性增加。對(duì)比Open-FOAM模擬結(jié)果與Davies實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[2]發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢(shì)基本保持一致,因此判斷Open FOAM對(duì)于纖維過濾介質(zhì)內(nèi)部氣-固兩相流數(shù)值模擬結(jié)果可信,為纖維過濾介質(zhì)過濾特性的研究分析提供了依據(jù)。

圖5 壓降與入口風(fēng)速的關(guān)系

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果

圖6展示了單纖維內(nèi)氣-固兩相的數(shù)值模擬結(jié)果,可以看出固體顆粒物從入口隨氣流進(jìn)入流場(chǎng),由于纖維過濾介質(zhì)的攔截、擴(kuò)散和碰撞效應(yīng),顆粒物接觸到纖維過濾介質(zhì)后被纖維過濾介質(zhì)捕集,沉積在纖維過濾介質(zhì)表面。一部分顆粒物從邊緣的縫隙中逃逸,圖6中可以看出單纖維的存在能夠很好地捕集固體顆粒物,過濾初期顆粒物比較均勻地分布在單纖維的表面,主要是纖維對(duì)顆粒的捕集起主導(dǎo)作用。

圖7展示了隨機(jī)多纖維內(nèi)氣-固兩相的數(shù)值模擬結(jié)果,可以看出固體顆粒物從入口隨氣流進(jìn)入流場(chǎng),隨機(jī)多纖維由于多層次的纖維分布,顆粒物通過多重?cái)r截、碰撞效應(yīng),被纖維過濾介質(zhì)捕集,沉積在纖維過濾介質(zhì)表面。

3.2 過濾特性分析

圖8顯示了單纖維和隨機(jī)多纖維對(duì)顆粒的分級(jí)效率與Kuwabrara經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚17]的比較。從圖8中可以看出,無(wú)論是單纖維還是隨機(jī)多纖維過濾效率都隨著顆粒粒徑的增大而增大。顆粒粒徑增大時(shí),其慣性碰撞和攔截作用增大,而擴(kuò)散效應(yīng)是逐漸降低的,擴(kuò)散效應(yīng)是對(duì)于粒徑小于1μm以下的,3μm以上的粒徑的顆粒這里可以忽略不計(jì)。因此纖維過濾介質(zhì)的總分級(jí)效率增大。這正驗(yàn)證了文獻(xiàn)[17]中的結(jié)論。

圖6 單纖維氣-固兩相流數(shù)值模擬

圖7 隨機(jī)多纖維氣-固兩相流數(shù)值模擬

圖8 不同固體顆粒物粒徑纖維濾料被捕集數(shù)量

與Kuwabrara經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式相比,本文模擬的效率值稍微偏大,但是總體趨勢(shì)是一致的。偏大主要是由于模擬設(shè)置纖維壁面屬性是顆粒與纖維壁面碰撞接觸直接被捕集,因此會(huì)稍大于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。隨著固體顆粒物直徑的增加,過濾效率增長(zhǎng)速率會(huì)逐漸降低,而且在固體顆粒物粒徑開始增加階段,捕集效率增加得很快,之后會(huì)迅速降低。由此可見,影響顆粒物捕集效率的因素還有其他原因,如沉積在纖維表面的固體顆粒物對(duì)固體顆粒物的捕集作用,致使顆粒物沉積的主導(dǎo)因素有纖維捕集轉(zhuǎn)為顆粒捕集的過程。

圖9 過濾效率隨單位沉積量的變化趨勢(shì)

研究顆粒物對(duì)于顆粒物的捕集是分析非穩(wěn)態(tài)纖維過濾機(jī)理的重要階段。圖9展示了纖維過濾介質(zhì)過濾效率隨著單位面積沉積量的變化趨勢(shì),并將模擬結(jié)果與Kasper[18]試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。隨著固體顆粒物沉積質(zhì)量的增加,過濾效率會(huì)逐漸上升,但是單纖維增長(zhǎng)的速率較快,幅度較大,這是因?yàn)閱卫w維表面的顆粒沉積快,很容易形成堆積狀態(tài),而隨機(jī)多纖維因?yàn)榇嬖趯哟涡?使得纖維表面形成的顆粒堆積不明顯。整體趨勢(shì)表現(xiàn)在固體顆粒物粒徑開始沉積,捕集效率低,但是提升潛力大,之后會(huì)迅速增加;沉積階段顆粒物的捕集效率高,但是提升潛力小,整體過濾效率增長(zhǎng)不明顯。

4 結(jié)論

建立單纖維和隨機(jī)多纖維微觀3D模型,并基于Open FOAM進(jìn)行氣固兩相流的數(shù)值模擬,通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性,分析了纖維過濾介質(zhì)的分級(jí)效率以及非穩(wěn)態(tài)的過濾效率,得出結(jié)論:

(1)建立單纖維和隨機(jī)多纖維微觀3D模型,并通過Open FOAM軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究,與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,模擬結(jié)果可靠;

(2)模擬單纖維和隨機(jī)多纖維過濾的分級(jí)效率,隨著顆粒粒徑的增加,分級(jí)效率是呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì),與Kuwabrara經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式相比,模擬的效率值稍微偏大,但是總體趨勢(shì)是一致的;

(3)分析了非穩(wěn)態(tài)纖維過濾介質(zhì)的過濾效率變化情況,分析得到單纖維更容易在纖維表面形成堆積,提升過濾效率明顯,而隨機(jī)多纖維的多層次性,過濾效率比較恒定。