考虑反弹行为的单纤维过滤稳态捕集效率的数值模拟

采用稳态单纤维表面粉尘树枝生长随机模拟,并考虑纤维过滤中气溶胶粒子碰撞反弹行为,讨论稳态下斯托克斯数(St)与哈梅克常数(H)对粒子运动轨迹的影响,计算分析了St与H对稳态单纤维捕集效率的影响.研究结果表明:当H值一定时,考虑反弹的捕集效率与不考虑反弹的捕集效率可以按斯托克斯数临界值St_c为分界点写成分段函数,通常1.0≤St_c≤3.5,在St≤St_c的阶段,考虑反弹的捕集效率与不考虑反弹的捕集效率相等,且与文献研究结果基本吻合;在StSt_c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St、拦截系数Rp、填充率c及H的函数.     

含尘单纤维过滤捕集效率的数值模拟

利用单纤维过滤介质表面颗粒沉积的随机计算模型,通过离散相模型(DPM)模拟方法,讨论单纤维非稳态过滤过程中捕集效率随沉积颗粒数增加的变化情况,模拟分析了颗粒沉积形态、斯托克斯数(St)、无量纲粒径(Nr)及纤维雷诺数(Ref)对含尘单纤维捕集效率的影响.研究结果表明:在过滤的初始阶段,St值对单纤维捕集效率起决定作用,St值越大,捕集效率越高;随着过滤的进行,单纤维的捕集效率随沉积颗粒数的增多而增加,其线性关系及增长的幅度与St、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.     

方形截面纤维惯性与拦截耦合捕集效率数值计算与分析

采用数值方法计算方形截面纤维的过滤阻力和粒子的惯性与拦截耦合捕集效率。分析讨论纤维迎风角度(θ)和填充率(C)对粒子惯性与拦截耦合捕集效率、过滤阻力以及粒子沉积分布的影响。结果表明,纤维迎风角度对粒子捕集效率、过滤阻力的影响较弱,但对粒子沉积分布的影响显著。对于以拦截为主导捕集机理的小粒子过滤,方形纤维的捕集效率明显高于圆截面纤维,综合过滤性能更优。而对于大粒子过滤情形,方形纤维未表现出更优的过滤性能。在粒子惯性与拦截捕集机理均起重要作用时,迭加捕集效率严重低估了实际纤维的过滤效率。     

纤维表面气溶胶粒子沉积与反弹行为数值模拟

在单纤维表面粉尘树枝生长随机模拟基础上,采用Dahneke碰撞反弹模型分析纤维过滤中气溶胶粒子碰撞反弹行为.讨论捕集体近壁区粒子碰撞反弹运动特性及其对沉积物形态结构和过滤单元捕集效率的影响.研究结果表明:随着粒子直径增大,粒子与纤维表面的碰撞反弹频率增大;输送粒子与沉积粒子发生多次碰撞反弹后仍有可能被捕集;所有过滤工况下,粒子碰撞反弹频率增大,均将导致沉积物向紧密结构演变;引入粒子碰撞反弹作用后,较低拦截参数下过滤单元捕集效率随沉积量的变化关系呈现出两阶段性特征,各阶段的变化关系仍满足近似线性,而较高拦截参数下过滤单元捕集效率随沉积量的变化关系未出现此特征;在相同黏附能下,多分散粒子的捕集效率均高于单分散粒子情形.     

纤维截面形状对纤维捕集效率及压力损失的影响

为研究纤维截面形状对纤维过滤器性能的影响,采用Visual Basic的应用程序版(VBA)随机生成不同几何截面形状的虚拟纤维过滤介质,通过计算流体动力学(CFD)技术求解流体在纤维介质流动的动量方程,得出不同几何截面形状纤维的压力损失.采用拉格朗日方法统计被纤维捕集颗粒数,获得纤维介质的捕集效率.采用质量因子综合评价模拟纤维过滤介质的过滤性能,研究不同几何截面形状纤维的异型度和形状系数对其捕集效率、压力损失以及质量因子的影响.模拟结果表明:压力损失随着形状系数的增大而增大;在填充率小于0.20时,三叶形纤维的捕集效率最高且压力损失最大;异形度、形状系数大的纤维对直径小于2μm的颗粒具有较好的捕集效果;在纤维直径为30μm时,对于颗粒直径小的粒子,三叶形纤维的综合过滤性能最好,而当纤维直径为5μm时,圆形纤维的质量因子最高.     

柴油机排气微粒壁流式陶瓷过滤体过滤机理及影响因素

在建立壁流式陶瓷过滤体微粒过滤捕集模型的基础上,详细计算分析了壁流式陶瓷过滤体的3种过滤机理:惯性碰撞机理、拦截机理和扩散机理,以及微粒粒径、过滤体微孔孔径、排气流速、气流温度等因素对3种微粒过滤捕集机理下的壁流式过滤体的微粒捕集系数及综合微粒捕集系数的影响及规律,在此基础上分析了提高壁流式过滤体微粒捕集系数的技术途径.研究结果可以为柴油机排气微粒壁流式陶瓷过滤体微粒捕集效率的定性与定量研究以及过滤体的结构优化设计提供依据.     

纤维过滤介质在容尘阶段的非稳态过滤效率

基于黏性牛顿流体的N-S方程,从一般控制方程的通用形式,结合纤维过滤介质的积尘填充率与粉尘颗粒或气溶胶微粒沉积量,推导出纤维多孔过滤介质内粒子浓度分布的非线性微分方程.分析了过滤效率经验公式中无量纲参数之间的内在联系及其对纤维滤料在容尘阶段过滤效率的影响,利用非线性回归方法拟合出纤维过滤介质的非稳态过滤效率经验公式.结果表明:微粒的Re数均小于1,即空气的流动均处于斯托克斯区域,同时其流动状态为层流;计算得到的拦截参数为0.086～0.559.根据实验结果拟合的纤维滤料在容尘阶段的过滤效率经验公式适用于St小于1的场合.     

纤维过滤介质捕集效率数学模型的研究

针对纤维过滤介质建立数学模型，对其进行理论求解，得出纤维过滤介质总捕集效率计算的理论公式，传统过滤理论中捕集效率的计算结果，仅为此模型计算结果的一个特解，此理论计算结果既适用于稳态过滤，也适用于非稳态过滤。     

褶型空气滤清器捕集效率及压力损失

为提高空气滤清器的减阻增效,采用计算流体力学(CFD)模拟技术,结合实验测试的方法,模拟计算颗粒在空气滤清器中的运动轨迹和颗粒在滤清器中沉积的分布率,得出颗粒在滤清器中容易沉积的部位.根据捕集效率实验数据,提出过滤介质捕集效率的多元关联计算式.通过建立二维及三维的CFD模型,模拟计算空气滤清器的流场分布和过滤压力损失,其计算机模拟结果与实验测试结果基本吻合.利用已建立的模拟模型,改变空气滤清器结构参数,替代部分实验模拟研究,得出空气滤清器的过滤压力损失与其各自影响因素的变化规律,以及空气滤清器过滤压力损失与其主要影响因素的单因素关联式.利用大量的模拟数据,回归分析提出空气滤清器过滤压力损失与其结构参数的多元关联计算式.     

刚性陶瓷过滤元件的过滤机理研究

根据空气动力学捕集理论,研究了陶瓷过滤器的过滤机理,计算了刚性陶瓷过滤器的过滤流动,分析了影响过滤效率的重要因素,提出了满足过滤效率要求的“最小厚度”概念,为陶瓷过滤器的设计提供了理论依据。结果表明,在刚性陶瓷过滤元件的过滤中,当靶的尺寸较小（如20μm）时,对于10μm以下的颗粒,拦截和惯性碰撞对过滤所起的作用相当;对于大于10μm的颗粒,拦截比惯性碰撞所起的作用要大得多。当靶的尺寸较大（如80μm）时, 对于很小的颗粒（5μm以下）,拦截和惯性碰撞过对过滤所起的作用相当,而对于稍大的颗粒,拦截 始终起主要作用。在给定的流动速度下,随着颗粒尺寸的增加和靶尺寸的减小,实际分级最小厚度减小。     

柴油机颗粒捕集器捕集效率的数值模拟及试验验证

为研发高过滤效率的颗粒捕集器,通过填充床捕集理论建立其综合捕集效率的数学模型,并利用Matlab和试验对所建立的数学模型进行验证.结果表明:在整个微粒捕集过程中,布朗扩散起主导作用,减小排气流量和提高排气温度均能提高布朗扩散捕集系数和综合捕集系数,而排气流量和排气温度对直接拦截捕集机理的影响不大;当微粒粒径小于100 nm时,布朗扩散捕集机理起主导作用,综合捕集系数随微粒粒径的减小而迅速增加,数值与布朗扩散捕集系数相差不大;当微粒粒径大于100 nm时,直接拦截捕集机理作用增强,综合捕集系数随微粒粒径的增大而减小缓慢,数值大于布朗扩散捕集系数,但仍较小;当微粒粒径为100~500 nm时,由于各种捕集机理相互竞争,综合捕集系数出现最小值.     

高梯度磁场中燃煤PM10的捕集试验

利用高梯度磁场试验装置进行了捕集燃煤可吸入颗粒物的试验研究.采用电称低压冲击器(ELPI)在线实时测量了颗粒浓度的变化,系统研究了颗粒磁性、磁场强度、气溶胶流速和磁介质填充率对颗粒捕集效率的影响.结果表明:在0.1～10 μm范围内,颗粒的总捕集效率可以达到25%～36%;较大和较小的颗粒捕集效率相对较高;而粒径在1～3 μm的颗粒捕集效率相对较低.磁矩较大的样品,其捕集效率较高.磁场强度和磁介质填充率的增加可以提高颗粒的捕集效率,而气体流速的增大则会导致颗粒捕集效率降低.较低的气体流速有利于小颗粒的捕集,而较高的磁介质填充率对于大颗粒的捕集更为有利于.试验结果表明,采用高梯度磁分离控制燃煤可吸入颗粒物是一种新型有效的方法.     

纤维过滤介质渗透率及压力损失数值模拟

针对纤维过滤介质纤维杂乱无章分布的特性,采用计算机模拟生产接近真实过滤介质的随机排列的三维纤维微观结构,对其内部流场进行数值模拟,得出纤维过滤介质内部流场三维压力及速度分布曲线图.通过大量计算及回归分析,获得随机排列纤维过滤介质无因次压降和渗透率拟合关联式.研究结果表明:随着迎面风速的增大,过滤介质压力损失线性增加;过滤介质压降随着填充密度的增大而非线性增加;随机排列纤维过滤介质无因次压降的计算结果与Davies及Jackson的计算结果非常吻合.     

滤网对颗粒捕集过程的微观实验

由于滤网具有良好的颗粒捕集性能而被广泛应用于工业或民用领域,但对其微观捕集机理研究尚且有限.本文通过建立一套显微观测系统真实记录滤网捕集颗粒的全过程,研究其在捕集颗粒过程中的微观表现,分析影响单纤维过滤及滤网网孔架桥堵塞的影响因素.结果表明随着过滤风速的减小,滤网的未堵塞孔面积与孔总面积之比逐渐降低,且最终会出现一个稳定状态;而随着滤网孔径的减小,该比值逐渐降低.在实际使用过程中应根据具体使用条件合理选择过滤风速和滤网孔径,对于长时间使用的滤网应及时清灰避免二次污染.     

壁流式过滤体捕集微细颗粒过程的数值模拟

压降是评价过滤体性能的重要指标。针对壁流式过滤体捕集微细颗粒物的过程,建立了描述通道内流场和颗粒层分布的一维非稳态模型。通过数值计算,研究了颗粒层滑移对颗粒层分布和过滤压降的影响,同时研究了过滤体结构参数与来流参数对过滤压降的影响。研究结果表明:颗粒层分布直接影响过滤压降,随着颗粒层滑移效应的加强,颗粒层由平坦转向直线递增型分布,过滤压降则先增后降;增加过滤体长度有助于降低过滤压降;增加过滤体孔目数,增加了过滤体工作初始阶段的压降,但可降低高颗粒沉积量时的过滤压降;此外,随来流流量和颗粒浓度的增加,过滤压降增加。     

燃煤飞灰单极荷电对纤维滤料过滤性能的强化

细颗粒物的单极荷电能够改善细颗粒物被纤维滤料过滤的性能.本文设计搭建了由线板式预荷电器和纤维滤料集尘装置组成的复合静电增强过滤实验平台,分别研究了在不同荷电类型、不同荷电电压以及不同过滤风速三种工况下,单极荷电的燃煤飞灰颗粒被聚苯硫醚(PPS)纤维滤料捕集时捕集效率及阻力特性的变化规律.结果表明,随着荷电电压的升高,过滤风速的下降,纤维滤料对荷电燃煤飞灰颗粒物捕集效率提高的同时压差增量减小,且压差增长速率明显降低.粒径越小,过滤效果增加越明显,且负荷电提高效果优于正荷电.     

微米木纤维纹孔对超微粒子稳态捕集效率的模拟

微米木纤维纹孔对柴油车排放的动力学当量直径为0.01～1 μm的超微粒子具有较强的吸附作用,可有效降低柴油车尾气中PM_2.5的排放量。利用微粒浓度控制方程及纤维捕集理论,将纹孔周围的捕集介质假设为圆柱体,对微米木纤维纹孔处的稳态捕集效率进行数值分析。结果表明:微米木纤维对直径为0.4～0.6 μm的粒子捕集效率相对较低,对其他粒径粒子的捕集效率较高,其中对粒径趋近于0.01 μm微粒的捕集效率可达90%以上,对柴油车超微粒子的捕集有显著作用。在捕集效率的影响因素中,表面渗流速度的降低和管胞壁厚的增加都会提高木纤维的过滤效率,而排气温度对捕集效率的影响较小,可忽略不计。     

植物叶片表面捕集气溶胶粒子特性数值分析

为研究单叶片植物表面捕集气溶胶粒子的效率与叶片长度、风速及迎风角的关系,采用数值方法在相似理论基础上求解描述植物叶片表面绕流特征的Navier-Stokes方程,考虑粒子布朗扩散和惯性碰撞捕集机理的联合作用,应用拉格朗日法追踪粒子运动轨迹信息,求解捕集机理联合作用下植物叶片表面粒子的捕集行为。由数值分析结果拟合出捕集效率与叶片长度、风速及迎风角度的关联式,并对迎风角、风速和粒径对捕集效率的影响进行分析。结果表明:无论是小粒子(d_p1.0μm)的扩散捕集还是大粒子(d_p1.0μm)的惯性捕集,风速、迎风角和粒径对捕集效率均有影响。对于小粒子,捕集效率随粒径、风速的增大而减小,迎风角对布朗扩散捕集效率的影响并不显著;对于大粒子,捕集效率随粒径、风速及迎风角的增大而增大。     

炭化微米木纤维滤芯柴油机排放纳米颗粒吸附特性

为了有效净化柴油机排放的纳米级碳烟颗粒(纳米颗粒),以炭化微米木纤维材料制备柴油机尾气微粒捕集器滤芯.分析炭化微米木纤维滤芯及柴油机排放颗粒物特性,并利用巨正则系综蒙特卡罗法(GCEMC)模拟纳米颗粒在炭化微米木纤维活性炭孔中的吸附特征,进而利用柴油机尾气微粒捕集器性能检测试验台对活性炭孔吸附纳米颗粒的蒙特卡罗模拟结果进行验证.结果表明:当柴油机微粒捕集器中尾气温度为470 K,捕集器前部压力由102.5 kPa过渡到125.0 kPa时,炭化微米木纤维滤芯吸附纳米粒子平均数密度的GCEMC模拟结果约为6.28×107cm-3,试验结果约为5.60×107cm-3,模拟结果和试验结果基本一致,该方法可以用来进行炭化微米木纤维滤芯吸附纳米颗粒过程的模拟研究.     

新型颗粒层的过滤性能

新型颗粒层采用固定床连续过滤、流化床连续清灰工作方式,克服了现有颗粒层过滤过程中存在的颗粒间隙增大、颗粒错位等问题,改善了过滤装置的过滤性能.通过试验研究了颗粒层的清灰周期、过滤速度和过滤介质粒径等重要参数对颗粒层过滤分级效率的影响,得出洁净气流中灰尘粒径分布规律,并探讨了新型颗粒层过滤装置的低能耗、高效过滤的设计参数和运行参数.研究结果表明,选择合适粒径范围的过滤介质能达到较高的过滤效率和较低的床层阻力;调节清灰周期能灵活地改变颗粒层的过滤性能,满足各种工艺的过滤要求.