鄭高峰，姜佳昕，鄧世卿，陳雋毓，劉益芳*

（1.廈門(mén)大學(xué) 儀器與電氣系，福建 廈門(mén) 361005；2.福建省增材制造創(chuàng)新中心，福建 福州 350118）

1 引言

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大氣污染日益嚴(yán)重，氣候日益復(fù)雜，空氣中的顆粒物特別是細(xì)粒子給人們的身體健康帶來(lái)了嚴(yán)重的危害，對(duì)城市的能見(jiàn)度產(chǎn)生了巨大的影響［1］，空氣過(guò)濾技術(shù)的需求和發(fā)展極其迫切。傳統(tǒng)的無(wú)紡布、棉絮、玻璃纖維等過(guò)濾器難以有效過(guò)濾PM2.5，納米纖維具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在空氣過(guò)濾領(lǐng)域中表現(xiàn)出了強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。

由直徑小和比表面積大的納米纖維［2-3］堆疊而成的濾膜具有孔徑小、孔隙率高、密度低及通透性好等特點(diǎn)，科研人員對(duì)納米纖維膜的制造方法、過(guò)濾機(jī)理和過(guò)濾性能等做了大量的研究。然而，當(dāng)前研究主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行，納米量級(jí)的不確定性增加了進(jìn)一步探索的難度。為了深入理解納米纖維膜的空氣動(dòng)力學(xué)行為，科研人員構(gòu)建了相關(guān)數(shù)學(xué)模型對(duì)過(guò)濾機(jī)理進(jìn)行分析，研究包括空氣過(guò)濾過(guò)程粒子行為、納米纖維膜空氣過(guò)濾流場(chǎng)和納米纖維膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬。

在空氣過(guò)濾過(guò)程粒子行為的數(shù)值研究過(guò)程中，Cheung 等［4］采用半經(jīng)驗(yàn)公式法模擬過(guò)濾過(guò)程中駐極纖維對(duì)顆粒物動(dòng)力學(xué)行為的影響；Li 等［5］研究顆粒物在湍流通道下的擴(kuò)散與沉積行為，用數(shù)值表示了流體阻力、布朗效應(yīng)和重力效應(yīng)；Cleaver 等［6］建立了湍流中顆粒物的慣性和擴(kuò)散行為；Wang 等［7］在格子玻爾茲曼方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，建立了空氣顆粒物在單根纖維上的沉積行為。在納米纖維膜空氣過(guò)濾流場(chǎng)數(shù)值研究中，Wu 等［8］利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬了納米纖維膜的過(guò)濾過(guò)程，探究了不同納米纖維直徑對(duì)空氣流場(chǎng)的影響；Dong 等［9］使用CFD-DEM 對(duì)顆粒物在纖維表面的沉積行為進(jìn)行了數(shù)值研究；Pan等［10］利用纖維特性建立了逼真的纖維3D 模型，通過(guò)仿真模擬發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維直徑小于5 μm 時(shí)，纖維直徑的變化對(duì)濾膜性能有很大影響，而當(dāng)纖維直徑大于12 μm 時(shí)，纖維直徑對(duì)于性能的影響會(huì)大幅減小。在納米纖維濾膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，Zhao等［11］利用PVDF 與負(fù)離子粉末進(jìn)行混合制備出了能夠釋放負(fù)氧離子的納米纖維，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)納米纖維膜進(jìn)行了優(yōu)化；Sambaer 等［12］為了探究過(guò)濾超細(xì)顆粒物（20～400 nm）的納米纖維膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種數(shù)值計(jì)算模型，該計(jì)算模型能夠有效預(yù)測(cè)出納米纖維膜結(jié)構(gòu)的過(guò)濾性能；Zhao 等［13］研制了一種高透光率的納米纖維膜，并借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)探究納米纖維膜結(jié)構(gòu)中纖維直徑對(duì)滑移效應(yīng)的影響。

深層過(guò)濾是納米纖維膜的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。納米纖維膜的立體結(jié)構(gòu)特征，如納米纖維直徑分布［14］、排列方式［15］、層疊結(jié)構(gòu)［16］，是空氣過(guò)濾品質(zhì)的重要決定因素。但現(xiàn)有研究仍采用隨機(jī)生成的方法進(jìn)行重構(gòu)，無(wú)法真實(shí)反映納米纖維膜的結(jié)構(gòu)特征，難以實(shí)現(xiàn)過(guò)濾性能的精確計(jì)算。另外，僅依靠單一纖維碰撞或捕獲效應(yīng)的計(jì)算方法，也限制了納米纖維膜過(guò)濾仿真計(jì)算準(zhǔn)確性的提升，不利于理論驗(yàn)證或?yàn)檫^(guò)濾膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效的理論指導(dǎo)。因此，針對(duì)納米纖維膜空氣過(guò)濾構(gòu)建專(zhuān)門(mén)的集成化仿真分析系統(tǒng)，成為納米纖維過(guò)濾機(jī)制探究與高效濾膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化生產(chǎn)的研究重點(diǎn)。

本文搭建了一個(gè)可用于納米纖維膜空氣過(guò)濾的仿真分析系統(tǒng)，該分析系統(tǒng)集成了納米纖維膜重構(gòu)、過(guò)濾效率計(jì)算和壓降計(jì)算等功能，能夠有效計(jì)算出不同納米纖維膜的過(guò)濾性能，從而為科研人員提供便捷的納米纖維膜空氣過(guò)濾的分析工具。

2 納米纖維膜空氣過(guò)濾分析系統(tǒng)

2.1 分析系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)計(jì)算顆粒物過(guò)濾效率和計(jì)算過(guò)濾壓降兩大基本功能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)要具有以下功能：能夠構(gòu)建納米纖維膜的形貌，而非通過(guò)隨機(jī)堆疊或手動(dòng)創(chuàng)建的簡(jiǎn)易的等直徑納米纖維空氣過(guò)濾膜模型；整個(gè)過(guò)濾過(guò)程可視化；可增加新功能模塊。針對(duì)這些要求，本文搭建的仿真分析系統(tǒng)是一個(gè)能夠通過(guò)SEM 圖像提取納米纖維膜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并進(jìn)行三維重構(gòu)，通過(guò)三維重構(gòu)的納米纖維膜模型計(jì)算納米纖維膜空氣過(guò)濾的過(guò)濾效率和壓降。

納米纖維膜空氣過(guò)濾仿真分析系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。將整個(gè)系統(tǒng)分為可視化渲染和數(shù)值計(jì)算兩個(gè)模塊，每個(gè)模塊采用獨(dú)立線程進(jìn)行處理。多線程處理能夠有效解決可視化渲染與數(shù)值計(jì)算隊(duì)列運(yùn)算造成的時(shí)間浪費(fèi)問(wèn)題。在多線程的基礎(chǔ)上，渲染模塊和數(shù)值計(jì)算模塊存在著處理速率不匹配的問(wèn)題，通常來(lái)說(shuō)渲染模塊的效率要低于數(shù)值計(jì)算模塊。為了解決速率不匹配問(wèn)題，采用線程間的帶鎖緩存隊(duì)列。在渲染模塊與計(jì)算模塊的交互中，數(shù)值計(jì)算模塊將計(jì)算完成的顆粒物位置存入線程安全的緩存隊(duì)列中，相應(yīng)的渲染模塊從緩存隊(duì)列取出顆粒物更新數(shù)據(jù)，形成即存即用的機(jī)制。這種方式能夠有效降低所需的計(jì)算存儲(chǔ)資源，降低所搭建系統(tǒng)的使用要求。

圖1 納米纖維膜空氣過(guò)濾仿真分析系統(tǒng)整體框架Fig.1 Block diagram of simulation system for nanofiber membrane air filtering

可視化渲染模塊分為濾膜渲染、顆粒物渲染和視角變換3 個(gè)小模塊。數(shù)值計(jì)算模塊分為壓降計(jì)算模塊和過(guò)濾效率計(jì)算模塊。

OpenGL 作為最底層與GPU 進(jìn)行交互的圖形標(biāo)準(zhǔn)，它獨(dú)立于環(huán)境易于移植并且具備功能強(qiáng)大、效率高等特點(diǎn)，所以將它作為可視化渲染模塊的主要工具。在圖像處理部分，選取的工具是OpenCV，這也是當(dāng)前廣泛使用的開(kāi)源圖像處理函數(shù)庫(kù)。

在整個(gè)程序中，關(guān)鍵模塊主要有納米纖維膜的三維重構(gòu)、空氣過(guò)濾效率計(jì)算和過(guò)濾壓降計(jì)算。

2.2 納米纖維膜三維重構(gòu)模塊

2.2.1 納米纖維膜的特征提取

納米纖維膜三維重構(gòu)模塊的功能是從SEM圖中經(jīng)過(guò)圖像前處理提取出納米纖維膜的拓?fù)湫畔⒑图{米纖維的表面拓?fù)湫蚊?，并通過(guò)相應(yīng)方法建立幾何關(guān)系，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)渲染進(jìn)行可視化。為了能夠構(gòu)建逼真的納米纖維膜模型，首先進(jìn)行納米纖維膜的特征提取。Sambaer 等［17］提出了一種基于SEM 圖像的逼真納米纖維膜構(gòu)建方法，該方法主要有去噪處理、二值化、細(xì)化算法和離散化處理4 個(gè)步驟。去噪處理用于去除原生SEM 圖像的噪點(diǎn)或模糊納米纖維表面形貌的細(xì)節(jié)；二值化用于提取頂層的納米纖維層膜，其原理在于SEM 圖像的灰度值與深度信息存在聯(lián)系；細(xì)化算法用于提取出納米纖維膜的中心線；離散化的作用是將連續(xù)纖維離散化成單位元素體的組合，通過(guò)半徑提取算法賦予每個(gè)元素體對(duì)應(yīng)的改變量，以還原納米纖維的表面拓?fù)湫蚊病?/p>

去噪處理模塊的流程為：首先，將原生SEM圖像通過(guò)cvtColor 函數(shù)轉(zhuǎn)換為灰度圖像；其次，將SEM 灰度圖像利用GaussianBlur 函數(shù)進(jìn)行高斯模糊，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 SEM 圖像處理結(jié)果Fig.2 Processing results of SEM image

二值處理的功能在于將高斯模糊處理后的SEM 圖像進(jìn)行“前景”與“后景”的分離。其中，前景是指處于觀測(cè)方向最近的纖維圖像，后景是指處于觀測(cè)方向較遠(yuǎn)的纖維圖像。首先，遍歷圖像的像素點(diǎn)計(jì)算出SEM 圖像的灰度值的均值（M）及其方差（V）。然后，計(jì)算頂層纖維所在深度的灰度閾值，即：

最后，通過(guò)threshold 函數(shù)對(duì)原始SEM 圖像進(jìn)行二值化處理，得到的頂層纖維二值圖像如圖3 所示。其中，白色像素部分表示為處于頂層的納米纖維，而黑色像素的部分為孔徑部分。

圖3 二值化處理結(jié)果Fig.3 Binarization results

中心線提取模塊采用的是Zhang 等［18］的快速并行細(xì)化算法，得到的納米纖維膜中心線圖像如圖4 所示。

圖4 中心線提取程序結(jié)果Fig.4 Result of centerline extraction procedure

離散化處理是將頂層連續(xù)纖維離散化，并且獲取納米纖維的拓?fù)湫蚊残畔⒁约氨４嫒S重構(gòu)的必要信息。離散化處理方法［19］如圖5 所示，將納米纖維離散成以中心線上的像素點(diǎn)為球心的不同大小的球體組合。通過(guò)半徑檢測(cè)算法檢測(cè)所在像素點(diǎn)的納米纖維半徑，用以決定當(dāng)前像素點(diǎn)的填充球體的半徑。半徑檢測(cè)算法原理如圖6 所示，當(dāng)檢索到中心線像素點(diǎn)時(shí)，通過(guò)截取感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI）執(zhí)行半徑檢測(cè)算法。

圖5 離散化處理方法示意圖Fig.5 Schematic diagram of discretization processing method

圖6 半徑檢測(cè)算法示意圖Fig.6 Schematic diagram of radius detection algorithm

2.2.2 納米纖維膜三維重構(gòu)程序

納米纖維膜的三維重構(gòu)程序作為特征信息提取程序的下游處理程序，負(fù)責(zé)上游程序所提取數(shù)據(jù)的有效處理，主要分為納米纖維膜的三維信息定義、三維信息的有效存儲(chǔ)和納米纖維膜的可視化三個(gè)方面。三維重構(gòu)程序的邏輯框圖如圖7所示。首先，將上游程序即特征信息提取程序的反饋信息進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的名稱(chēng)定義為體素點(diǎn)。其次，將體素點(diǎn)重組，構(gòu)建成八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)［20］。最后，對(duì)重構(gòu)的納米纖維膜利用OpenGL 開(kāi)源圖形庫(kù)進(jìn)行可視化渲染。

圖7 三維重構(gòu)程序邏輯框圖Fig.7 Logic block diagram of 3D reconstruction program

2.3 納米纖維膜過(guò)濾效率計(jì)算

納米纖維膜過(guò)濾效率計(jì)算程序包括顆粒物動(dòng)力學(xué)行為計(jì)算及其可視化模塊、顆粒物與納米纖維碰撞檢測(cè)以及力學(xué)處理模塊、和過(guò)濾效率計(jì)算模塊。

顆粒物動(dòng)力學(xué)行為的計(jì)算及其可視化模塊的功能是計(jì)算并動(dòng)態(tài)顯示空氣中顆粒物的位置。該功能由兩個(gè)線程協(xié)同完成，主線程用于實(shí)時(shí)更新渲染顆粒物并對(duì)不同的設(shè)備輸入進(jìn)行處理，子線程負(fù)責(zé)計(jì)算顆粒物在拖曳力和布朗力的作用下的空間位置。

顆粒物與納米纖維碰撞檢測(cè)和力學(xué)分析模塊的功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)顆粒物是否與納米纖維發(fā)生碰撞，并在碰撞發(fā)生時(shí)進(jìn)行力學(xué)分析，判斷顆粒物是否被納米纖維捕獲。根據(jù)當(dāng)前顆粒物與所檢測(cè)的填充球體的球心距離是否小于兩者半徑之和判斷是否碰撞。若沒(méi)有發(fā)生碰撞則將顆粒物的位置放入緩存隊(duì)列中；當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，計(jì)算出摩擦力、升力等作用力的大小并判斷顆粒物是否被捕獲。若判定為捕獲，則將該顆粒物標(biāo)記，并結(jié)束渲染；當(dāng)判定為非捕獲狀態(tài)時(shí)，計(jì)算其繞行軌跡，并將其放入緩存隊(duì)列中。納米纖維特征尺度小、電荷密度高，靜電吸附對(duì)空氣過(guò)濾起到更重要的作用［21］。但納米纖維膜上的電荷分布暫時(shí)難以定量化描述，這限制了靜電效應(yīng)在過(guò)濾仿真中的準(zhǔn)確表達(dá)，以及系統(tǒng)計(jì)算誤差的減小。

過(guò)濾效率計(jì)算模塊的功能是當(dāng)設(shè)定條件滿(mǎn)足時(shí)計(jì)算出顆粒物被標(biāo)記的數(shù)量時(shí)計(jì)算出納米纖維膜的過(guò)濾效率。該模塊檢測(cè)是否有顆粒物的位置超出所假定的通風(fēng)管，若顆粒物超出管道，則把該顆粒物標(biāo)記為已透射并在后續(xù)的渲染中不再出現(xiàn)。當(dāng)標(biāo)記為捕獲和透射的顆粒物達(dá)到初始化顆粒物的數(shù)量時(shí)，則納米纖維膜的過(guò)濾效率為：

其中：Nin表示進(jìn)入模擬管道的顆粒物數(shù)量，Nout表示離開(kāi)模擬管道的顆粒物數(shù)量。

圖8 為過(guò)濾效率計(jì)算模塊的可視化界面。對(duì)顆粒物進(jìn)行軌跡追蹤，可以觀察數(shù)值計(jì)算模擬的納米纖維膜的空氣過(guò)濾過(guò)程。由于測(cè)試的顆粒物繁多，所以圖8 中僅對(duì)100 個(gè)顆粒物進(jìn)行追蹤作為示意。圖中箭頭1 所指區(qū)域是模擬測(cè)試管道的入口，在該區(qū)域中大量的顆粒物在跟隨氣流運(yùn)動(dòng)的同時(shí)做無(wú)規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng)。箭頭2 所指區(qū)域?yàn)槿S重構(gòu)的納米纖維膜，當(dāng)氣溶膠顆粒物與納米纖維膜發(fā)生碰撞后會(huì)被捕獲，使得隨氣流運(yùn)動(dòng)的顆粒物數(shù)量迅速減少。因此，只有少數(shù)顆粒物能夠穿過(guò)納米纖維膜達(dá)到箭頭3 所指的區(qū)域，即模擬測(cè)試管道的出口。

2.4 納米纖維膜過(guò)濾壓降計(jì)算

在空氣過(guò)濾的過(guò)程中，氣體流過(guò)納米纖維膜時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)屬于層流狀態(tài)，并且有序地依次通過(guò)納米纖維所構(gòu)建的孔徑通道穿過(guò)納米纖維濾膜，即氣體實(shí)際上是通過(guò)變截面積的通道穿過(guò)納米纖維濾膜的［13］。根據(jù)泊肅葉定律可以得到流體在圓形管道中層流時(shí)的壓降計(jì)算公式為：

其中：Q表示氣體的體積流量，Rc表示圓心管道的半徑。

Sambaer 等通過(guò)對(duì)SEM 圖像的處理構(gòu)建出歐式距離圖［12］，如圖9 所示。圖中，黑色部分代表納米纖維膜，亮度值不為零的部分為孔徑，其值與像素點(diǎn)到最近纖維的距離有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，其值越大，亮度越高。根據(jù)式（4）：

圖9 片層歐式距離圖Fig.9 Slice Euclidean distance map

其中：s表示像素點(diǎn)的實(shí)際長(zhǎng)度，n表示灰度值不為零的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，di表示當(dāng)前像素點(diǎn)的值，dmax表示距離最遠(yuǎn)的像素點(diǎn)的值。計(jì)算出單個(gè)片層的等效半徑，最后根據(jù)式（3）得出單個(gè)片層的過(guò)濾壓降?？倝航禐槎鄠€(gè)片層的疊加。

3 納米纖維膜空氣過(guò)濾分析系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與驗(yàn)證

3.1 不同特征納米纖維膜的空氣過(guò)濾效率計(jì)算

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的功能，本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)制備的納米纖維膜對(duì)樣品進(jìn)行SEM 觀測(cè)，結(jié)果如圖10 所示。為了更好地提取納米纖維膜的特征，需要?jiǎng)討B(tài)選擇合適倍數(shù)的SEM 圖像，在纖維拓?fù)涮卣魈崛r(shí)只需動(dòng)態(tài)地調(diào)整閾值與像素點(diǎn)所表達(dá)的空間尺度即可。當(dāng)確定SEM 圖像后，為了降低計(jì)算資源的需求，減少數(shù)值計(jì)算負(fù)擔(dān)，并加快速度，將SEM 圖像進(jìn)行切分，其范圍只需能夠反映納米纖維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即可。納米纖維膜的重構(gòu)規(guī)則如下：以一張SEM 圖作為基準(zhǔn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，確定其相應(yīng)圖像處理參數(shù)以及重構(gòu)納米纖維膜的層數(shù)，校準(zhǔn)完畢后其余數(shù)值計(jì)算以同樣條件進(jìn)行。在本次計(jì)算中，所涉及的圖像處理參數(shù)為3×3 的圖像切分規(guī)格和mean+variance×3/10 的頂層纖維提取閾值。數(shù)值計(jì)算條件如下：溫度設(shè)定為298 K；氣壓設(shè)定為101.325 kPa；空氣動(dòng)力黏度設(shè)定為1.79×10-5Pa·s；空氣密度為1.293 kg/m3；根據(jù)自動(dòng)過(guò)濾效率測(cè)試儀的參數(shù)可以確定空氣流速為0.15 m/s。

圖10 不同質(zhì)量比例PVDF/PAN 納米纖維膜的SEM 圖Fig.10 SEM images of PVDF/PAN nanofiber films with different mass ratios

PVDF/PAN 納米纖維不同比例納米纖維膜的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖11 所示，最大誤差為8%。計(jì)算結(jié)果表明，隨著PVDF 納米纖維比例的減少，PAN 納米纖維的比例增加，納米纖維膜的空氣過(guò)濾效率逐漸上升，其趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符。

圖11 不同PVDF/PAN 質(zhì)量占比的過(guò)濾效率計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison between calculated results and experimental results of filtration efficiency with different PVDF/PAN ratios

對(duì)于納米纖維膜的厚度計(jì)算，選取PVDF/PAN=2∶1 的納米纖維進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)增減重構(gòu)納米纖維膜的層數(shù)控制厚度的變化，計(jì)算結(jié)果如圖12 所示。計(jì)算結(jié)果表明，隨著納米纖維膜厚度的增加，過(guò)濾效率升高，該趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖12 不同膜厚的過(guò)濾效率數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.12 Comparison between numerical calculation results and experimental results of filtration efficiency with different membrane thicknesses

3.2 不同特征納米纖維膜的空氣過(guò)濾壓降計(jì)算

對(duì)纖維直徑與過(guò)濾壓降關(guān)系和納米纖維膜厚度與過(guò)濾壓降關(guān)系分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，用以驗(yàn)證過(guò)濾壓降模塊的功能，實(shí)驗(yàn)條件及數(shù)值計(jì)算條件均與3.1 節(jié)相同。

對(duì)于過(guò)濾壓降，PVDF/PAN 納米纖維不同比例納米纖維膜的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖13 所示。計(jì)算結(jié)果顯示，隨著PAN 納米纖維比例的增加，即纖維直徑的減小，納米纖維膜的過(guò)濾壓降增加，該現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相匹配。

圖13 不同PVDF/PAN 占比過(guò)濾壓降計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.13 Comparison between calculated results and experimental results of filtration pressure drop with different PVDF/PAN ratios

對(duì)納米纖維膜厚度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其結(jié)果如圖14 所示。計(jì)算結(jié)果表明，隨著膜厚的增加，過(guò)濾壓降增加，該結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)相符。

圖14 不同膜厚的過(guò)濾壓降數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)對(duì)比Fig.14 Comparison between numerical results and experimental results of filtration pressure drop with different membrane thicknesses

4 結(jié)論

本文搭建了可用于納米纖維膜空氣過(guò)濾的分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于SEM 圖像對(duì)納米纖維膜進(jìn)行三維拓?fù)涮卣鞯闹貥?gòu)，構(gòu)建具備相同拓?fù)涮卣鞯?D 納米纖維膜，通過(guò)所構(gòu)建的納米纖維膜進(jìn)行過(guò)濾效率以及過(guò)濾壓降的計(jì)算，并對(duì)空氣過(guò)濾的過(guò)程進(jìn)行可視化顯示。系統(tǒng)具有一定的交互性功能，能夠追蹤顆粒物的運(yùn)行軌跡等。對(duì)所搭建的納米纖維膜空氣過(guò)濾分析系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，針對(duì)纖維直徑以及膜厚兩個(gè)纖維結(jié)構(gòu)特征分別進(jìn)行過(guò)濾效率和過(guò)濾壓降的實(shí)際測(cè)試和數(shù)值計(jì)算，對(duì)比結(jié)果表明，過(guò)濾效率的計(jì)算誤差在10%以?xún)?nèi)，過(guò)濾壓降的計(jì)算誤差在20%以?xún)?nèi)，由此驗(yàn)證了所搭建的納米纖維膜空氣過(guò)濾分析系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性。