纤维材料过滤特性的数值模拟

论文摘要

压力损失、捕集效率是纤维过滤器两个重要性能参数。对此,国内外学者已经开展了相关的研究。但大部分都是将实际纤维过滤器中的纤维简化为规则排列结构,而且都是基于二维空间以及低速过滤运行状态,这与实际发生在三维空间的纤维过滤器内部气固两相流流动并不符合,因此用这些模型预测真实纤维过滤器的过滤性能还有些差距。尽管现今已有几个学者对三维纤维过滤器模型进行了数值计算,但都是假定其流场是符合达西定律的,而且对于纤维过滤器的过滤效率研究较少。另外,对于表征纤维过滤器复杂结构的分维数研究也较少。因此深入分析纤维过滤器三维空间内的气固两相流流动以及随机纤维的分形维数对过滤性能的影响,对优化过滤器的设计参数及运行参数有重要意义。为获得更真实纤维过滤器的微观结构,本文基于随机算法创建了一系列虚拟的三维纤维过滤器模型。并以FLUENT6.3为平台,模拟研究了不同运行条件下的气固两相流流动。此外,基于分形理论的研究,计算了随机纤维过滤器模型的分维数,并研究了其与相应模型的过滤性能之间的关系。主要的研究工作及研究结论包括：(1)通过计算机程序建立了随机纤维过滤器模型,使其与真实的非织造布微观构造非常相似。(2)本文重点研究了三维随机纤维过滤器模型的气相流场。研究结果表明：随着过滤器填充密度的增大,压力损失非线性增加；随着迎面风速的增加,压力损失一开始呈线性增加,但随后呈非线性增加,并且其气相流场可分为线性流以及非线性流两个流动阶段。在线性流内,气相流动符合达西定律,而且随机模型的模拟结果与Davies实验公式计算值较吻合。而在非线性流内,达西定律不能精确描述其流动,而需用Forchheimer方程进行描述。基于模拟数据的分析,本文得出了线性流与非线性流的临界速度,并通过拟合计算,得到一个适合线性流以及非线性流的压力损失表达式。(3)在流场的分析基础上,采用DPM离散相模型模拟计算了不同条件下稳态过滤阶段的颗粒相流动。研究表明随机模型的过滤效率随着颗粒直径的增大而增加；随着过滤速度的增大,也逐渐增加至近乎不变；随着填充率的增加而增加。但是对于微细颗粒而言,过滤效率几乎不受过滤速度的影响。(4)基于分形理论研究,计算了随机模型的分形维数,并对分维数与过滤性能关系开展了相关的研究。研究表明随机模型的分维数与其压力损失以及捕集效率存在着影响关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 纤维过滤材料
• 1.3 过滤原理及数学模型
• 1.3.1 过滤原理
• 1.3.2 过滤理论的数学模型
• 1.4 纤维过滤器数值模拟的研究现状
• 1.5 论文研究内容、研究目的
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究目的
• 1.6 主要使用软件介绍
• 1.6.1 模型生成平台
• 1.6.2 模拟软件Fluent
• 1.6.3 后处理软件tecplot以及拟合软件orgin
• 第二章 随机纤维过滤器内部气相流场的数值计算
• 2.1 数值计算的控制方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.2 压力损失与速度关系的理论基础
• 2.2.1 压力损失与速度关系的研究进展
• 2.2.2 压力损失与速度关系的经验模型
• 2.3 随机纤维过滤器气相流场数值计算模型
• 2.3.1 过滤器气相流场数值计算控制方程
• 2.3.2 过滤器模型的创建
• 2.3.3 模拟计算域和边界条件
• 2.3.4 网格独立性的验证
• 2.3.5 FLUENT模拟操作过程
• 2.4 随机排列过滤器的模拟结果与分析
• 2.4.1 过滤器内部气相流场的静压分布与速度分布
• 2.4.2 风速对过滤器压力损失的影响与关系
• 2.4.3 填充密度对过滤器压力损失的影响
• 2.5 数值结果的验证与经验对比
• 2.6 随机过滤器模型压力损失关联式的拟合计算
• 2.7 本章小结
• 第三章 随机纤维过滤器过滤性能的数值计算
• 3.1 颗粒运动控制方程
• 3.2 过滤理论
• 3.2.1 过滤机理
• 3.2.2 单纤维总捕集效率
• 3.2.3 纤维过滤器过滤效率
• 3.3 稳态过滤纤维过滤介质内粉尘浓度分布的数学模型
• 3.4 随机纤维过滤模型的固相模拟计算
• 3.4.1 数值模拟简化流程图
• 3.4.2 Fluent模拟操作过程
• 3.5 固相模拟结果及分析
• 3.5.1 过滤速度对过滤效率的影响
• 3.5.2 颗粒直径对过滤效率的影响
• 3.5.3 填充率对过滤效率的影响
• 3.6 过滤效率计算结果与文献[14]的对比
• 3.7 本章小结
• 第四章 随机纤维过滤器的分形维数研究
• 4.1 分形理论及经典模型
• 4.1.1 分形理论
• 4.1.2 几种经典分形模型
• 4.2 分形维数的定义及测定方法
• 4.2.1 分形维数的定义
• 4.2.2 分形维数的测定
• 4.3 纤维过滤介质分形研究进展及研究意义
• 4.3.1 纤维过滤介质分形研究进展
• 4.3.2 纤维过滤介质分形研究目的及意义
• 4.4 随机纤维网分形维数的确定
• 4.5 随机纤维过滤介质分维数与过滤性能之间的关系
• 4.5.1 随机纤维过滤器分维数与压力损失的关系
• 4.5.2 随机纤维过滤器分维数与过滤效率的关系
• 4.5.3 分形维数与填充率的关系
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本课题的结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢