基于工业结构纤维滤料过滤特性的数值研究

论文摘要

随着对颗粒物排放浓度控制的日益严格和对可吸入颗粒物危害的认识,一些国家和地区将颗粒物国家排放标准提高到50mg/m~3,甚至到20mg/m~3以下。目前只有袋式除尘器能满足这种苛刻的排放标准,而且由于其具有适应性强,不受粉尘比电阻的影响等优点而受到广大用户的青睐。而滤料是袋式除尘器的核心部件,其质量与性能对袋式除尘器的运行及应用范围具有重要影响。工业纤维滤料已经被广泛应用于布袋除尘器,其过滤性能的优劣直接影响布袋除尘器的使用效果,因此对于纤维滤料过滤性能的研究,是国内外共同关注的热点。本文利用数值模拟方法分析了四种结构纤维滤料(二维随机排列纤维滤料、具有一定弯曲度的三维结构纤维滤料、平纹结构纤维滤料,表面覆膜的梯度结构复合滤料)的过滤特性,计算不同运行条件下纤维滤料的压力损失及滤料对不同粒径范围的颗粒的过滤效率。同时论文还比较了数值模拟结果和相关的经验模型值,结果表明:和有关的经验模型值比较,数值模拟方法能获得较为满意的结果,从而也表明,应用数值模拟技术来研究不同结构纤维滤料的过滤特性是方便且可行的。风速对压力损失和过滤效率都有影响,随着迎面风速的增加,压力损失呈线性增加,对于小颗粒(dp<0.5μm),过滤效率随风速增加而减小,对于大颗粒(dp >0.5μm),趋势正好相反。纤维直径和纤维填充密度分布会影响纤维过滤器的过滤性能,平均填充密度越大过滤效率越大,但同时又具有较大的压力损失。不同的颗粒直径范围,纤维滤料对其的捕集机理不同,对于小粒径颗粒,主要由布朗扩散起作用,对于大颗粒,惯性碰撞贡献较大。效率最低点出现在扩散作用逐渐弱化,惯性作用刚刚开始加强的区域。利用数值模拟技术,并基于响应曲面法并利用统计软件Minitab V14,研究了结构参数(横向距离,纵向距离)和运行条件(风速)对平纹纤维滤料的过滤效率和压力损失的影响,并分别得出了关于3种影响因子的二次多项式预测模型,两个预测模型能很好地反映平纹结构纤维滤料结构尺寸以及运行条件对其过滤性能的影响,有助于进一步优化平纹结构纤维滤料的设计。梯度复合滤料在结构上采用纤维直径逐层加大的梯度层次结构时,能够获得高的过滤效率,同时可以保证滤料长期运行且阻力增加缓慢。而在梯度复合滤料表面覆膜后过滤效率平均增加约13%,对于小颗粒(d_p<0.5μm)而言,过滤效率增加幅度更大,而且长期运行阻力增加不明显。上述研究结果对于进一步认识各种结构纤维滤料的过滤特性具有一定的指导意义,从而对工业结构纤维滤料的设计及参数优化具有重要的学术价值和实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 纤维滤料
• 1.2.1 无纺布滤料
• 1.2.2 机织滤料
• 1.3 纤维滤料的过滤机理
• 1.3.1 拦截
• 1.3.2 惯性碰撞
• 1.3.3 布朗扩散
• 1.4 国内外滤料的研究现状
• 1.4.1 国内滤料的研究现状
• 1.4.2 国外滤料的研究现状
• 1.5 本论文的研究内容和目标、研究意义、论文结构和创新点
• 1.5.1 研究内容和目标
• 1.5.2 研究意义
• 1.5.3 论文结构
• 1.5.4 创新点
• 第二章 纤维滤料过滤性能的经验公式和数值计算模型
• 2.1 纤维滤料过滤性能的经验公式
• 2.1.1 纤维滤料压力损失的经验公式
• 2.1.2 纤维滤料过滤效率的经验公式
• 2.2 纤维滤料气固两相流数值计算模型
• 2.2.1 气相场数值计算模型
• 2.2.2 颗粒相数值计算模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 随机排列纤维滤料过滤性能的数值研究
• 3.1 随机排列纤维滤料数值计算模型的建立
• 3.1.1 随机排列纤维滤料的建模
• 3.1.2 随机排列纤维滤料结构及边界条件
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 网格依赖性验证
• 3.2.2 压力损失
• 3.2.3 过滤效率
• 3.3 本章小结
• 第四章 具有一定曲度的纤维滤料过滤性能的数值研究
• 4.1 具有一定曲度的纤维滤料的数值计算模型
• 4.1.1 具有一定曲度的纤维滤料模型的建立
• 4.1.2 边界条件及相关设置
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 网格依赖性验证
• 4.2.2 压力损失
• 4.2.3 过滤效率
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于响应曲面法平纹结构纤维滤料的过滤性能的数值研究
• 5.1 数值模型的建立
• 5.1.1 响应曲面设计
• 5.1.2 响应与因素
• 5.1.3 CFD 模型
• 5.1.3.1 网格生成及边界条件的确定
• 5.1.3.2 网格依赖性及进口颗粒数量依赖性验证
• 5.1.3.3 数值模型的验证
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 整个模型的方差分析
• 5.2.2 结构参数和运行条件对压力损失的影响
• 5.2.3 结构参数和运行条件对过滤效率的影响
• 5.2.4 响应曲面模型的修正
• 5.2.5 优化预测结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 基于工业结构纤维滤料过滤性能的数值研究
• 6.1 实际工业纤维滤料的数值计算模型
• 6.1.1 实际工业纤维滤料模型的建立
• 6.1.2 计算工况设计
• 6.1.3 边界条件
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 网格依赖性验证
• 6.2.2 压力损失
• 6.2.3 过滤效率
• 6.2.4 工况的选择及改进
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 7.2.1 实验方面
• 7.2.2 数值模拟方面
• 参考文献
• 攻读硕士期间主要成果
• 致谢