楊 洪，趙 鵬，余紹龍，王 帆，錢付平

（安徽工業(yè)大學a.能源與環(huán)境學院;b.建筑工程學院;c.計算機學院，安徽馬鞍山243000）

基于Visual C#和MATLAB的纖維過濾介質(zhì)性能計算及軟件開發(fā)

楊 洪a，趙 鵬b，余紹龍b，王 帆c，錢付平b

（安徽工業(yè)大學a.能源與環(huán)境學院;b.建筑工程學院;c.計算機學院，安徽馬鞍山243000）

基于Visual C#和MATLAB語言的混合編程，提出纖維過濾介質(zhì)過濾性能計算的軟件開發(fā)方案，實現(xiàn)對纖維過濾介質(zhì)三維結(jié)構的重建及其過濾性能的計算。首先通過掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）成像獲得過濾介質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構二維圖像，提取過濾介質(zhì)的幾何參數(shù)，根據(jù)纖維半徑和方向等參數(shù)重建過濾介質(zhì)的三維結(jié)構，利用經(jīng)典的經(jīng)驗公式計算過濾介質(zhì)的壓降和效率。以Visual Studio 2010為開發(fā)平臺，Visual C#為開發(fā)語言，基于dll文件調(diào)用MATLAB程序，最終完成該軟件的開發(fā)。與利用數(shù)值模擬或?qū)嶒灧椒ㄓ嬎氵^濾介質(zhì)性能相比，利用該軟件計算過濾介質(zhì)的過濾性能，方法簡單、便捷。

Visual C#和MATLAB；纖維過濾介質(zhì)；性能計算；軟件開發(fā)

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的深入推進，能源資源消耗持續(xù)增加，帶來了嚴重的大氣污染問題。其中粉塵會對大氣環(huán)境、生產(chǎn)和人體健康造成有害的影響，尤其是可吸入顆粒物（PM2.5）會嚴重威脅人類的健康[1]?！笆濉币?guī)劃綱要明確規(guī)定，將粉塵污染物排放標準提高至20～50 mg/m3[2]?！董h(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095—2012)也對環(huán)境空氣功能區(qū)的PM10及PM2.5的濃度限值做出了新的規(guī)定[3]?！洞髿馕廴痉乐涡袆佑媱潯穼?017年前大氣污染治理給出了詳細治理藍圖，并對各省市降低PM2.5濃度提出具體要求[4]。因此，凈化和去除空氣中懸浮顆粒物對保護環(huán)境和保障公眾健康都具有重要意義。

袋式除塵器因其除塵效率高、運行性能穩(wěn)定等優(yōu)點廣泛應用于多個領域[5]。影響袋式除塵器濾料特性的關鍵因素是過濾介質(zhì)的內(nèi)部微觀結(jié)構，因此對于袋式除塵器而言，過濾介質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構及其性能至關重要。傳統(tǒng)纖維過濾介質(zhì)微觀結(jié)構性能計算的方法主要基于經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬。如：于先坤[6]建立了具有一定曲率k的隨機結(jié)構過濾介質(zhì)模型，通過數(shù)值模擬研究了曲率對其過濾性能的影響，并與Davies經(jīng)驗關聯(lián)式進行比較。徐芳芳等[7-8]基于VBA編程，創(chuàng)建三維隨機排列纖維過濾介質(zhì)模型，采用計算流體動力學(CFD)軟件模擬計算其內(nèi)部流場。方鑫等[9]對布袋除塵中氣固兩相流模擬，將計算域內(nèi)的濾料纖維介質(zhì)簡化為一系列的圓柱體錯位排列在流場中間，并進行數(shù)值計算。Lux等[10]及Delisée等[11]利用X射線對木基纖維材料進行顯微成像，并對三維圖像進行處理，得到性能參數(shù)等微觀結(jié)構信息。朱小潔[12]基于SEM獲取纖維過濾介質(zhì)內(nèi)部微觀斷面結(jié)構的SEM圖像，通過MATLAB提取纖維斷面邊緣信息，定義纖維的走向和彎曲，結(jié)合MATLAB與Gambit重建過濾介質(zhì)的三維結(jié)構模型并對其過濾特性影響的CFD-DEM模擬研究，與經(jīng)驗模型的結(jié)果進行比較。然而經(jīng)驗公式的計算基于單纖維理論，數(shù)值模擬研究在建模的過程中通常將過濾介質(zhì)模型簡化處理。而基于真實結(jié)構過濾介質(zhì)的數(shù)值模擬具有專業(yè)性強、計算時間長、代價高、不易操作等缺點。

本文在傳統(tǒng)過濾介質(zhì)性能計算的基礎上提出軟件化的計算方式，以實際纖維過濾介質(zhì)微觀結(jié)構的SEM圖像為基礎，通過MATLAB對其進行圖像處理，重建纖維過濾介質(zhì)的三維結(jié)構。將壓力損失及過濾效率的經(jīng)驗公式在MATLAB的M文件中編寫為代碼，對過濾介質(zhì)的過濾性能進行計算。并基于Visual C#和MATLAB語言的混合編程，提出纖維過濾介質(zhì)性能計算軟件的開發(fā)方案，由此計算纖維過濾介質(zhì)的過濾性能，為優(yōu)化過濾介質(zhì)結(jié)構提供理論基礎。

1 基于圖像處理的纖維過濾介質(zhì)三維結(jié)構重建

對纖維過濾介質(zhì)三維結(jié)構重建基于真實過濾介質(zhì)的SEM圖像，如圖1。圖像的分辨率直接影響圖像處理的結(jié)果。SEM成像越清晰，重建出結(jié)構模型的復原度越高；SEM成像模糊，則重建出來的效果越差且過濾介質(zhì)結(jié)構參數(shù)也會改變。圖1的分辨率為696×694。

1.1 纖維過濾介質(zhì)三維結(jié)構重建

通過MATLAB imread函數(shù)讀取過濾介質(zhì)微觀結(jié)構SEM圖像信息，并在M文件中編寫圖像處理的程序，重建過程如圖2。圖2中過程①對圖像進行二值化處理，本文采用固定閾值法，結(jié)果見圖2。過程②是對二值化處理圖進行中心線提取，圖像經(jīng)二值化處理后，所有像素點由0和1兩個值表示（0表示的是纖維，1表示的是孔隙）。通過8個方向檢測，將相同值的像素點聯(lián)通成區(qū)域，將聯(lián)通區(qū)域的中心點連接成線，即中心線。過程③對已經(jīng)存儲纖維中心線上的單個像素點進行三維結(jié)構模型的重建，以該像素點為圓心，根據(jù)統(tǒng)計的半徑值及纖維的方向，經(jīng)旋轉(zhuǎn)后的圖像就是這個像素點的三維重建圖像。過程④過濾介質(zhì)整體的三維結(jié)構重建是所有像素點三維重建的集合，利用這種三維重建的方法可將整個單層纖維完整的重建出來，并保存其信息。

1.2 纖維過濾介質(zhì)微觀結(jié)構參數(shù)提取

纖維過濾介質(zhì)的微觀結(jié)構參數(shù)主要有孔隙率(ε)、填充密度(α)、平均直徑(df)等，通過經(jīng)驗公式計算纖維過濾介質(zhì)性能與過濾介質(zhì)的填充密度和平均直徑有關。通過二值化后的圖像獲得過濾介質(zhì)的孔隙率及平均直徑，再由孔隙率得到填充密度。

1.2.1 填充密度

填充密度是反映過濾介質(zhì)最重要的結(jié)構參數(shù)之一。由于過濾介質(zhì)微觀結(jié)構SEM圖像是由多個像素點組成，圖像經(jīng)二值化處理后，其孔隙率為黑色區(qū)域與整個區(qū)域像素點所占比例，提取的孔隙大小統(tǒng)計如圖3所示。

圖3中，橫坐標表示組成區(qū)域的像素點個數(shù)；縱坐標表示該孔隙區(qū)域面積個數(shù)的對數(shù)值。圖像大小為696×694。計算孔隙率的表達式為

其中：A1，A2，…，An分別表示每個聯(lián)通區(qū)域的面積（以像素點的數(shù)目表示）；N1，N2,，…，Nn分別表示孔隙面積為Ai的區(qū)域的個數(shù)。

對圖1所示實例計算得纖維孔隙率ε=0.555，則過濾介質(zhì)填充密度為α=1-ε=0.445。

1.2.2 平均直徑

在圖2的過程③，即中心線提取過程中，保存了每根纖維直徑大小。由于每根纖維的直徑大小都不同，并將直徑像素點個數(shù)轉(zhuǎn)化為以μm為單位的大小，提取的纖維直徑分布如圖4所示。對纖維直徑進行加權平均計算，即

其中：d1，d2，…，dn分別表示單根纖維的直徑；M1，M2，…，Mn分別表示纖維直徑為di的纖維的個數(shù)。

對于圖1所示實例計算得纖維平均直徑df=0.89 μm。

1.3 纖維過濾介質(zhì)重建結(jié)構與實際結(jié)構的關聯(lián)性

本文以實際過濾介質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構圖像為基礎重建過濾介質(zhì)，考察重建過濾介質(zhì)結(jié)構與實際過濾介質(zhì)結(jié)構的關聯(lián)性，比較重建過濾介質(zhì)結(jié)構與實際過濾介質(zhì)結(jié)構彎曲、走向、空間分布、纖維直徑等因素。纖維的彎曲、走向及每根纖維的直徑是根據(jù)實際模型生成的，與實際過濾介質(zhì)中的纖維分布基本一致。圖5比較了局部實際過濾介質(zhì)結(jié)構的與重建過濾介質(zhì)結(jié)構中纖維的空間分布。

由圖5可知：纖維在過濾介質(zhì)中的分布均是隨機的，呈現(xiàn)無規(guī)則性；重建過濾介質(zhì)與實際過濾介質(zhì)纖維的彎曲、走向及每根纖維的直徑基本一致，因此其排列結(jié)構十分接近，進一步說明了重建過濾介質(zhì)結(jié)構與實際結(jié)構的關聯(lián)性。

2 纖維過濾介質(zhì)過濾性能計算

基于經(jīng)驗公式計算纖維過濾介質(zhì)的過濾性能，利用MATLAB根據(jù)壓力損失與過濾效率的經(jīng)驗公式計算迎面風速對壓力損失的影響曲線及不同迎面風速下顆粒物直徑對過濾效率的影響曲線。

2.1 壓力損失的理論計算

根據(jù)達西(Darcy)定律，一般纖維過濾介質(zhì)的潔凈過濾壓力損失可以表示為空氣黏度(μ,Pa?s)、過濾介質(zhì)厚度(t,μm)、氣體迎面風速(v,m/s)、纖維平均直徑(df,μm)材料填充密度(α,%)的函數(shù)[13]：

其中：Δp表示壓力損失；f(α)表示無因次壓力損失，本文選擇3種無因次壓力損失 f(α)進行比較，如表1所示[13]。迎面風速對壓力損失的影響曲線如圖6。

2.2 過濾效率理論計算模型

過濾介質(zhì)對顆粒的捕集主要依賴于布朗擴散、直接攔截和慣性碰撞3種機理的綜合作用，為了預測單纖維的過濾效率（Single Fiber Efficiency，SFE，E∑），許多學者對此進行了深入研究?？紤]以上各種捕集機理聯(lián)合作用時，單纖維的捕集效率為[12]

其中：ED，ER和EI分別表示擴散效率、攔截效率及慣性碰撞效率，其經(jīng)驗公式分別如表2[12]。不同迎面風速下顆粒物直徑對過濾效率的影響曲線如圖7。

表1 無因次壓力損失公式Tab.1 Dimensionless pressure loss formula

表2 不同類型的效率公式Tab.2 Different types of efficiency formula

3 基于Visual C#和MATLAB混合編程的軟件開發(fā)

3.1 Visual C#和MATLAB混合編程

纖維過濾介質(zhì)性能計算軟件通過讀取纖維過濾介質(zhì)SEM圖像，對其進行三維結(jié)構重建，并提取過濾介質(zhì)幾何參數(shù)（填充密度和平均直徑），通過獲取的幾何參數(shù)，對纖維過濾介質(zhì)過濾性能進行理論計算（即經(jīng)驗公式計算），得到其壓降和效率曲線。

C#具有強大的界面功能，可用于開發(fā)人機交互界面，MATLAB計算能力突出，用于進行復雜的圖像處理算法，故采用C#與MATLAB混合編程方式實現(xiàn)纖維過濾介質(zhì)性能計算軟件的開發(fā)。基于C#和MATLAB的混合編程步驟如圖8所示。

3.2 纖維過濾介質(zhì)結(jié)構重建及其性能計算軟件結(jié)構

軟件系統(tǒng)分為過濾介質(zhì)三維結(jié)構重建、過濾介質(zhì)參數(shù)提取和過濾性能計算3大模塊。過濾介質(zhì)三維結(jié)構重建模塊通過讀取過濾介質(zhì)結(jié)構的SEM圖片，經(jīng)過圖像處理重建過濾介質(zhì)微觀三維結(jié)構；過濾介質(zhì)參數(shù)提取模塊可得到過濾介質(zhì)的結(jié)構參數(shù)即填充密度和平均直徑，以及孔隙面積統(tǒng)計圖和纖維直徑統(tǒng)計圖；過濾性能計算模塊通過輸入過濾過程的環(huán)境及顆粒參數(shù)可得到過濾介質(zhì)的壓力損失與過濾效率曲線。

根據(jù)3大模塊，可以很方便地進行過過濾介質(zhì)的性能計算。用戶通過基于C#開發(fā)的界面導入SEM圖并輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)，由結(jié)果通過C#程序界面輸出。纖維過濾介質(zhì)性能計算軟件的可視化界面如圖9所示，其左邊為參數(shù)輸入，右邊為結(jié)果輸出。

4 結(jié) 論

利用MATLAB和Visual C#混合編程可開發(fā)纖維過濾介質(zhì)性能計算軟件，實現(xiàn)以下功能：

1)對纖維過濾介質(zhì)微觀結(jié)構進行三維結(jié)構重建，重建纖維的空間分布與實際情況基本一致，表明重建過濾介質(zhì)結(jié)構與實際結(jié)構具有很好的關聯(lián)性；

2)提取纖維過濾介質(zhì)結(jié)構的關鍵參數(shù)信息，如：填充密度、平均直徑，可利用經(jīng)典的經(jīng)驗公式計算其壓降和過濾效率；

3)該軟件實現(xiàn)過程簡單、便捷。

[1]周歡,李從舉.過濾粉塵用紡織材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2011,244(1):1-6.

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責任編輯：丁吉海

Performance Calculation and Software Development for the Fibrous Media with Visual C#and MATLAB

YANG Honga,ZHAO Pengb,YU Shaolongb,WANG Fanc,QIAN Fupingb
(a.School of Energy and Environment;b.School of Civil Engineering andArchitecture;c.School of Computer Science and Technology,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243000,China)

A performance calculation software of the fibrous Amedia based on the mixed programming of Visual C#and MATLAB was developed,which can reconstruct the 3D model of the fibrous media and calculate its filtration performance.Firstly,2D image of the microstructure was obtained by Scanning Electron Microscope(SEM), and the geometrical parameters of fibrous media are extracted,3D structure was reconstructed with parameters of diameter and direction,and the pressure drop and efficiency of the fibrous media was calculated with classical empirical correlation.The software was developed by using Visual Studio 2010 as the development platform,Visual C#as the development language,calling MATLAB program based on the dll document.Compared with methods of numerical simulation or experimental method,it is simple and convenient to calculate the filtration performance of the fibrous media by this software.

Visual C#and MATLAB;fibrous media;performance calculation;software development

X701.2

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.02.016

發(fā)稿日期:2014-06-06

國家自然科學基金項目(51076001);安徽省科技攻關項目(1301042113);安徽工業(yè)大學研究生創(chuàng)新研究基金項目(2013034)

楊洪(1991-),女,安徽廬江人,碩士生,研究方向為大氣污染物控制與防治。

錢付平(1974-),男,安徽樅陽人,博士,教授,研究方向為氣-固兩相流動及大氣污染物控制與防治。

1671-7872(2015)-02-0175-06