劉倩倩　尤健明　王琰　孫成磊　Jiri Militky　Dana Kremenakova　Jakub Wiener　祝國成

摘要：為了探究過濾風(fēng)速、纖維直徑、纖維固體體積分?jǐn)?shù)、纖維層厚度、纖維排列方式對(duì)纖維集合體內(nèi)部氣流速度分布、壓力損失、過濾效率的影響，通過觀察分析真實(shí)濾料結(jié)構(gòu)特征和表面形態(tài)，利用Matlab隨機(jī)算法，Solidworks建模軟件生成直徑為3-5μm、在空間中隨機(jī)分布的三維纖維集合體，利用Digimat纖維建模軟件生成纖維排列方向平行于X軸的三維纖維集合體，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)方法，基于拉格朗日離散模型和Laminar流場(chǎng)，利用雷諾相似準(zhǔn)則對(duì)微米纖維模型內(nèi)部氣-固兩相流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：過濾風(fēng)速的增大對(duì)纖維集合體內(nèi)部氣相流場(chǎng)的影響表現(xiàn)為無規(guī)律性，纖維集合體內(nèi)部壓力損失隨過濾風(fēng)速的增大而增大；纖維過濾效率和壓力損失隨纖維固體體積分?jǐn)?shù)、纖維層厚度的增大而增大；過濾效率和壓力損失隨著纖維直徑的增大而減小；平行于X軸排列的纖維集合體的過濾效率和壓力損失較空間隨機(jī)分布纖維集合體的高。

關(guān)鍵詞：CFD；纖維結(jié)構(gòu)；過濾效率；數(shù)值模擬；壓力損失

中圖分類號(hào)：TS151????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：2097-2911-（2023）02-0078-12

DPM Numerical Simulation on Filtration Performance of FiberAssembly under Different Fiber Structural Characteristics

LIU Qianqian1，YOU Jianmin2，WANG Yan1，3，SUNChenglei3，Jiri Militky4， Dana Kremenakova4， Jakub Wiener4，ZHU Guocheng1，3，5

（1.College of Textile Science and Engineering（International Silk College），Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018 China;2. Zhejiang-Czech Joint Laboratory of Advanced Fiber Materials， Zhejiang Se-Tech University， Hangzhou Zhejiang 310018，China;3.Zhejiang Zhaohui Filtration Technology Co.，Ltd， Jiaxing Zhejiang 314511，China;4.Faculty of Textile Engineering， Technical University of Liberec， Liberec 46117， The Czech Republic;5.Zhejiang Innovation

Center of Advanced Textile Technology， Shaoxing Zhejiang 312000， China）

Abstract： In order to investigate the effect of inlet airflow speed， fiber diameter， fiber solid volume fraction， fi- ber layer thickness， and fiber arrangement on the airflow velocity distribution， pressure loss， and filtration effi- ciency inside fiber assembly， the structural characteristics and surface morphology of the actual fiber filter me- dia were observed and analyzed， and then the geometrical models of the fiber assembly was constructed by us-ingMatlab， Solidworks and Digimat. The Matlab software was used to construct a three-dimensional random structure of fiber assembly， and the Digimat was used to construct a three-dimensional fiber assembly with fiber arrangement parallel to the X-axis. The gas-solid two-phase flow inside the fiber assembly was numerically sim- ulated by combining the computational fluid dynamics methods， Lagrangian discrete model and the laminal flow field， and the Reynolds similarity criterion. The results showed that the increase of inlet airflow speed had an irregular effect on the gas phase flow field inside the fiber assembly， the pressure loss inside the fiber assem- bly increased with the increase of inlet airflow speed， the filtration efficiency and pressure loss of fiber assembly increased with the increase of fiber solid volume fraction and fiber layer thickness， the filtration efficiency and pressure loss of fiber assembly decreased with the increase of fiber diameter， the filtration efficiency and pres- sure loss of fiber assembly with a fiber parallel to the X-axis structure was higher than that of fiber assembly with a fiber randomly distributed structure.

Key words： CFD; fiber structure; filtration efficiency; numerical simulation; pressure loss

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，伴隨大量能源被消耗，導(dǎo)致空氣污染日趨嚴(yán)重，極大地危害了人們的身體健康。據(jù)世界衛(wèi)生組織評(píng)估，每年有超過200萬人因城市室內(nèi)外空氣污染而過早死亡，其中室外 PM2.5污染占16.2%[1]。中科院環(huán)境健康調(diào)研報(bào)告指出，75%的慢性病與生產(chǎn)生活中排放的污染物密不可分[2]。纖維過濾材料是一種能夠有效去除空氣中顆粒物和有害氣體的材料，在治理大氣污染方面具有重要意義。在日常生活中，使用纖維過濾材料制成的口罩、空氣凈化器等產(chǎn)品，來保護(hù)人們的呼吸健康和改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。因此，對(duì)三維隨機(jī)纖維過濾特性的研究是目前研究的重點(diǎn)[3]。

自纖維過濾材料被發(fā)明以來，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其過濾性能進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，探討了影響其過濾效率和壓力損失等性能指標(biāo)的各種因素。早期研究大多是圍繞單纖維開展的，DAVIES[4]將濾材簡化為單纖維，利用單根纖維的過濾效率表達(dá)式去描述整個(gè)過濾器的過濾性能，從而創(chuàng)立了孤立纖維理論，但是該理論受制約于小雷諾數(shù)，而實(shí)際過濾器的阻力狀況與之大相徑庭。BROWN 等人利用周期流假設(shè)和變分?jǐn)?shù)學(xué)原理[5]，計(jì)算了多纖維濾材內(nèi)部的流場(chǎng)分布，同時(shí)也模擬了纖維陣列交錯(cuò)排列時(shí)的壓力損失[6-9]。然而，二維的濾材模型只能反映濾材在一個(gè)平面上的結(jié)構(gòu)特征，而忽略了濾材在厚度方向上的結(jié)構(gòu)變化。為了更真實(shí)地模擬纖維濾材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能，一些研究人員開始嘗試建立纖維濾材的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析。

BERGMAN等[10-12]模擬了三維規(guī)則排列的纖維，在氣-固兩相流動(dòng)條件下，顆粒物的行為與相互作用，但并未將纖維的分布與排列方式對(duì)氣相流場(chǎng)的影響考慮在內(nèi)。HOSSEINI等[13]通過隨機(jī)算法建立三維微觀模型，并基于拉格朗日離散相模型（DPM）追蹤固體顆粒的運(yùn)動(dòng)狀況，對(duì)此模型下顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了細(xì)致的描述，模擬計(jì)算了靜電紡絲膜對(duì)氣溶膠顆粒過濾時(shí)的壓力損失和過濾效率。LUX等[14]利用X射線斷層掃面技術(shù)對(duì)木漿纖維材料進(jìn)行掃描成像，得到了纖維內(nèi)部孔徑尺寸的大小、孔徑的分布、纖維取向、纖維長度、孔隙率等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。FAESSEL[15]等采用X射線斷層成像技術(shù)獲取了不同工藝制備的低密度木質(zhì)纖維板的三維圖像，并基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論提取出3D圖像中的纖維長度、曲率等信息。還分析了這些纖維結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)導(dǎo)熱性能的作用機(jī)理，但是此建模方法存在局限性，一張纖維材料圖像只能生成一層三維模型，建模耗時(shí)長，效率低。

大部分研究學(xué)者用于模擬計(jì)算的纖維過濾介質(zhì)模型大多為簡化的二維理想模型或三維規(guī)則排列直徑單一分布模型，而這與實(shí)際濾料中纖維雜亂分布，直徑分布不均勻的情況并不相符，因此得出的模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果有較大差異。纖維過濾介質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)決定了濾材的重要性能指標(biāo)，如壓力損失和過濾效率等。因此，建立更貼合實(shí)際情況的纖維過濾介質(zhì)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對(duì)研究濾料的過濾特性至關(guān)重要。本文通過觀察和分析總結(jié)真實(shí)纖維濾料的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征，利用Matlab隨機(jī)算法生成在空間中隨機(jī)分布，纖維直徑呈正態(tài)分布的三維纖維模型，使用Digimat纖維建模軟件生成平行于X軸排列的纖維模型。結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法，利用拉格朗日離散相模型即 DPM（Discrete Phase Model，DPM），設(shè)置不同的入口速度，計(jì)算不同粒徑顆粒在穩(wěn)態(tài)過濾階段的過濾特性；基于Laminar流場(chǎng)，探討過濾風(fēng)速、纖維固體體積分?jǐn)?shù)（Solid Volume Fraction， SVF）、纖維直徑、纖維層厚度、纖維排列方向?qū)庀嗔鲌?chǎng)、過濾效率和壓力損失的影響。纖維過濾材料因自身結(jié)構(gòu)和工況不同而呈現(xiàn)出差異化的過濾性能，在實(shí)際工程應(yīng)用中要對(duì)影響其性能的諸多因素進(jìn)行分析，并掌握其在各種條件下的特點(diǎn)，以便于指導(dǎo)其開發(fā)和應(yīng)用。

1三維纖維模型的建立

為了建立更貼近實(shí)際工程應(yīng)用的濾料模型，通過觀察纖維素/聚乙烯醇纖維膜電鏡圖，分析和總結(jié)纖維特征，以此為基礎(chǔ)建立三維纖維模型。如圖1所示為纖維素/聚乙烯醇纖維膜電鏡圖，從圖中可清晰的觀察到纖維直徑較均勻，表面光滑，近似圓柱體，纖維在空間中呈交疊無序排列。針對(duì)纖維素/聚乙烯醇纖維膜結(jié)構(gòu)特征與形貌，通過Matlab隨機(jī)算法，將纖維簡化為圓柱體建立了如圖2所示的直徑為3-5μm，在空間中隨機(jī)分布的三維纖維。

在探究纖維 SVF、直徑、纖維層厚度，過濾風(fēng)速對(duì)過濾器壓降和過濾效率的影響時(shí)，使用的纖維模型是由Matlab隨機(jī)算法生成，建模邏輯為：利用random 函數(shù)生成隨機(jī)點(diǎn)坐標(biāo)，然后隨機(jī)連接兩個(gè)非同面點(diǎn)坐標(biāo)作為纖維軸線；生成符合正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)組作為纖維直徑的值；將不同的纖維軸線和直徑值隨機(jī)匹配，形成各個(gè)纖維圓柱體，組成一個(gè)三維模型。建模完成后輸出腳本文件再由Solidworks讀取數(shù)據(jù)自動(dòng)生成三維實(shí)體纖維模型。在探究纖維排列方向?qū)^濾器壓降和過濾效率的影響時(shí)，使用Digimat纖維建模軟件可以較好地控制纖維的排列方向。如圖2所示為由Matlab隨機(jī)算法生成的纖維直徑為3-5μm，SVF為11.56%在空間中隨機(jī)分布的三維纖維模型。如圖3所示為由Digimat纖維建模軟件生成的纖維直徑為10μm，SVF為8%，平行于X 軸交錯(cuò)排列的纖維模型。

纖維模型是貼近真實(shí)微米濾料建立的，模型精度高，網(wǎng)格數(shù)量龐大，然而CFD技術(shù)在對(duì)微小尺寸的模擬計(jì)算上具有局限性，因此基于相似原理[16-18]，即滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似的兩個(gè)流動(dòng)過程必須是同類現(xiàn)象，用相同的數(shù)學(xué)方程描述，初始條件和邊界條件也相似。雷諾相似準(zhǔn)則即足尺模型與計(jì)算模型中的黏性力和慣性力相似，兩流動(dòng)中相應(yīng)的雷諾數(shù)相等[15-17]。基于此準(zhǔn)則，考慮計(jì)算成本和計(jì)算量，選取幾何相似倍數(shù)C1為1/1000，因此，采用的足尺纖維模型結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如表1所示，用于模擬計(jì)算纖維結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

2 DPM數(shù)值計(jì)算

2.1壓力損失計(jì)算公式

壓力損失是評(píng)判纖維過濾器過濾性能的重要指標(biāo)之一。待計(jì)算完成之后，在 CFD-Post 中提取出各工況的壓力損失數(shù)據(jù)，纖維過濾器的壓力損失可用式（1）表示：

式中：Pin 為纖維過濾器入口處靜壓值；Pout 為出口處靜壓值。

2.2捕集效率計(jì)算公式

在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)不考慮已沉積顆粒對(duì)后來顆粒沉積的影響，忽略顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)和攔截作用，認(rèn)為顆粒一接觸纖維體表面就被捕集。則纖維過濾介質(zhì)捕集效率的計(jì)算公式為：纖維過濾介質(zhì)上捕捉的顆粒數(shù)與發(fā)射面發(fā)射顆?？倲?shù)的比值即為捕集效率，即：

式中：N0為入射面發(fā)射粒子總數(shù)，N為纖維集合體捕捉到的粒子數(shù)。

2.3邊界條件與控制方程

用于數(shù)值計(jì)算的連續(xù)介質(zhì)為空氣，由于雷諾數(shù)比較小，采用穩(wěn)態(tài)層流不可壓縮模型，密度不隨時(shí)間變化，則連續(xù)性方程為：

動(dòng)量方程為：

式中：p為流體壓力，pa；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體速度，m/s；μ為流體動(dòng)力黏度，N · s/m2；▽為梯度運(yùn)算符號(hào)；t 為時(shí)間，s 。相似物理量p′、ρ′、v′、μ′、t′與p、ρ、v、μ、t常數(shù)關(guān)系可表示為：

式中：Cρ、Cp、Cv、Cμ、Ct為上述物理量相似倍數(shù)，均為常數(shù)。其中，雷諾數(shù) Re 為流動(dòng)的相似準(zhǔn)則，為相似指標(biāo)，值為1[19]。

在 fluent中求解計(jì)算時(shí)，氣相計(jì)算完成之后再計(jì)算顆粒相，設(shè)置氣流沿Y軸正方向注入，并垂直于纖維過濾介質(zhì)，入口速度分別設(shè)置為0.05、0.142、0.5、1、2 m/s；用于模擬的顆粒平均粒徑為0.25、0.5、1、1.5、2.5、4、5 mm，顆粒粒徑分布遵循Rosin-Rammler分布，密度為1000 kg/m3，釋放顆粒數(shù)量為1200個(gè)，注入方式為 surface；為了避免顆粒在進(jìn)入纖維過濾介質(zhì)時(shí)與流體間存在相對(duì)速度滑移，設(shè)置顆粒的初始速度與流體入口速度一致，未被纖維體捕集的顆粒與氣流都從出口逃逸；計(jì)算區(qū)域四周纖維表面邊界條件設(shè)置為無滑移。通過計(jì)算顆粒軌跡判斷顆粒是否與纖維過濾介質(zhì)發(fā)生碰撞，若發(fā)生碰撞，則認(rèn)為顆粒一接觸纖維表面就被捕集，并且不會(huì)發(fā)生接觸再反彈；若未發(fā)生碰撞，則顆粒繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)直至出口逃逸。初始化流場(chǎng)，即對(duì)網(wǎng)格中每個(gè)物理量進(jìn)行初始賦值，設(shè)置迭代步數(shù)，運(yùn)行計(jì)算，當(dāng)?shù)綌?shù)至10-3以下時(shí)，認(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂，計(jì)算完成。模擬區(qū)域和邊界條件如圖4所示。

2.4網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

在 fluent模擬計(jì)算過程中，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果有著重要的影響。一般情況下，求解結(jié)果的精確度隨網(wǎng)格劃分的細(xì)密程度增加而增加[20]。但在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)格數(shù)量激增會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的時(shí)間成本大幅增加，也會(huì)使得計(jì)算機(jī)負(fù)荷過重，而且當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量后，計(jì)算精度的提高并不明顯。所以，只有當(dāng)計(jì)算結(jié)果不隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而改變時(shí)，數(shù)值模擬得到的結(jié)果才更具有實(shí)際意義。當(dāng)纖維直徑為5 mm，SVF=8%，在入口速度為1m/s時(shí)，纖維過濾器內(nèi)部壓力損失隨纖維橫截面周圍網(wǎng)格數(shù)量變化如圖5所示，可以得出：隨著纖維橫截面周圍網(wǎng)格數(shù)量的增加，壓力損失呈現(xiàn)先增大后趨于平緩的趨勢(shì)，最終纖維一周網(wǎng)格數(shù)量為22時(shí)壓降達(dá)到穩(wěn)定，即壓力損失不再隨纖維橫截面周圍網(wǎng)格數(shù)量的增加而改變。另一方面，為了保證計(jì)算的精確性，將殘差設(shè)置為10-6，滿足數(shù)值計(jì)算的要求。

3結(jié)果與分析

3.1過濾風(fēng)速對(duì)氣相流場(chǎng)、壓力損失和過濾效率的影響

當(dāng)纖維直徑分布為3～5 mm，SVF為11.56%，入口速度分別為0.05、0.142、0.5、1、2 m/s 時(shí)，在 X=55 mm處速度場(chǎng)的分布情況如圖6所示，從云圖中可以看出，由于纖維在空間中分布的無規(guī)律性，流場(chǎng)分布也并無規(guī)律性；過濾風(fēng)速對(duì)整個(gè)過濾區(qū)域速度分布的影響顯著，當(dāng)流動(dòng)的氣體經(jīng)過纖維時(shí)，由于氣流受到纖維模型壁面和纖維體的阻礙，纖維體表面和模型壁面區(qū)域的速度較進(jìn)出口處流速小，在纖維背風(fēng)面，纖維分布密集處出現(xiàn)藍(lán)色阻滯區(qū)域，此處流速基本為零，阻滯區(qū)域的面積隨入口速度的增大而顯著增大；在纖維距離較小處，此處流速略有增加，在纖維空隙較大處，有紅色區(qū)域出現(xiàn)，沒有纖維的阻攔，流速在此處出現(xiàn)極大值，極易形成速度漩渦。為了驗(yàn)證速度變化的無規(guī)則性，取Y=55 mm即XZ截面，當(dāng)過濾風(fēng)速為0.05 m/s 時(shí)纖維內(nèi)部氣流在 X 軸方向、Y軸方向及Z軸方向的分速度3D分布如圖7所示。從圖中可以看出，氣流在經(jīng)過纖維過濾器時(shí)的速度變化是無規(guī)律性的。

纖維集合體內(nèi)部壓力損失隨過濾風(fēng)速變化關(guān)系如圖8所示，隨著入口速度的增加，壓力損失線性增大，當(dāng)氣流通過纖維過濾器時(shí)，由于纖維體在空間中呈隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)，對(duì)氣流流動(dòng)造成阻礙，使得過濾器的出口壓力低于進(jìn)口壓力，形成壓差。當(dāng)過濾風(fēng)速增大時(shí)，氣流對(duì)阻礙其前進(jìn)的纖維體的沖擊力也增大，導(dǎo)致壓差變大，即壓力損失變大。

3.2 SVF對(duì)壓降和過濾效率的影響

當(dāng)纖維直徑分布為3～5 mm，過濾風(fēng)速為0.142 m/s，纖維 SVF 分別為5.72%、7.21%、9.47%、11.68%、14.23%時(shí)，對(duì)粒徑為0.25 mm 顆粒的過濾效率以及壓力損失情況如圖9所示，從圖中可以看出纖維過濾效率和壓力損失隨著纖維 SVF增大而增大，原因是纖維 SVF越大，過濾區(qū)域內(nèi)纖維根數(shù)越多，纖維在空間中的分布越密集，纖維之間穿插交疊的程度越復(fù)雜，形成的孔徑越小，孔隙率越小，因此顆粒越容易被纖維體捕集，過濾效率就越高；隨著 SVF增大過濾器內(nèi)部壓力損失明顯增加。這主要是因?yàn)椋w維內(nèi)部填充密度增大，使得過濾區(qū)域內(nèi)的纖維結(jié)構(gòu)更加的緊密，纖維間空隙越小，氣流在通過纖維體時(shí)受到的阻礙更強(qiáng)，導(dǎo)致纖維前后壓差較大，過濾效率和壓力損失隨SVF的增大而增大。

3.3纖維直徑對(duì)壓降和過濾效率的影響

當(dāng) SVF 為8%，纖維直徑分別為5、7、9、11、13 mm，入口氣流速度分別為0.05、0.142、0.5、1、2 m/s 時(shí)，對(duì)粒徑分別為0.25、0.5、1、1.5、2.5、4、5 mm顆粒的過濾效率和壓力損失如圖10、11所示。過濾效率隨纖維直徑的增大而下降，壓力損失隨著纖維直徑的增大而減小。這是因?yàn)楫?dāng)纖維 SVF一定時(shí)，纖維直徑越小，過濾區(qū)域內(nèi)纖維根數(shù)越多，纖維間孔隙就越小，直徑越小的纖維比表面積越大，顆粒隨氣流通過纖維時(shí)，顆粒更易被纖維捕集，因此過濾效率隨纖維直徑的減小而增加。纖維直徑越小，氣流通過纖維內(nèi)部時(shí)越容易與纖維間發(fā)生碰撞和摩擦，發(fā)生碰撞的氣流會(huì)造成動(dòng)量損失，流速降低，單位時(shí)間內(nèi)通過纖維體的氣流量減少，因此透氣性降低，壓力損失增加。

3.4纖維層厚度對(duì)壓降和過濾效率的影響

不同纖維層厚度的模型在入口速度為0.142 m/s時(shí)，對(duì)粒徑為0.25 mm的顆粒過濾效率和壓力損失情況如圖12所示。隨著纖維層厚度的增加，顆粒通過纖維過濾器時(shí)的路徑變長，這增加了顆粒與纖維接觸時(shí)間和接觸面積，使得在纖維層厚度由30mm增加到50mm時(shí)過濾效率明顯提高，但同時(shí)壓降也隨之提高。當(dāng)過濾效率達(dá)到一定水平后，增加纖維模型厚度使得纖維孔隙率增加對(duì)提高過濾效率的影響不如壓降增加明顯。當(dāng)纖維模型厚度由200 mm增至250mm 時(shí)，過濾效率僅增加了6.5%，而纖維模型的壓力損失卻增加了131.78%，這是因?yàn)殡S著過濾的進(jìn)行，纖維內(nèi)部沉積的顆粒數(shù)量沿氣流前進(jìn)方向呈遞減趨勢(shì)，越靠近纖維的出口處，顆粒數(shù)量越少，這說明纖維過濾器后半段對(duì)過濾貢獻(xiàn)的作用很小，在實(shí)際工程應(yīng)用中。當(dāng)濾材的過濾效率達(dá)到要求時(shí)，應(yīng)盡可能的減小濾材的厚度以此降低壓降，延長濾材的使用壽命。

當(dāng)纖維層厚度為50 mm、250 mm，在 X=75 mm時(shí)，兩纖維模型YZ平面壓力分布如圖13所示，在過濾區(qū)域內(nèi)，當(dāng)氣流沒有受到纖維的阻礙時(shí)，壓力幾乎無波動(dòng)，當(dāng)氣流進(jìn)入過濾區(qū)域時(shí)，氣流受到纖維的干擾，壓力開始上下波動(dòng)，纖維厚度為50mm時(shí)的壓力波動(dòng)起伏大，因?yàn)榇四Ｐ椭欣w維數(shù)量少，纖維間空隙大，纖維對(duì)流場(chǎng)的干擾作用大，纖維層厚度為250mm時(shí)，過濾區(qū)域內(nèi)纖維數(shù)量更多，纖維間結(jié)構(gòu)更加緊湊，纖維間隙小，氣流活動(dòng)范圍小，因此壓力波動(dòng)起伏小，沿纖維厚度方向壓力值不斷減小，且壓力損失隨纖維厚度的增加而增加。

3.5纖維排列方向?qū)^濾效率的影響

纖維直徑為10mm，SVF為5%，入口速度為0.5 m/s時(shí)，兩不同排列方向的纖維模型對(duì)不同粒徑顆粒的過濾效率、壓力損失如圖14、15所示。結(jié)果表明平行X軸且交錯(cuò)排列的纖維過濾效率遠(yuǎn)高于在空間中隨機(jī)分布的纖維，可能的原因是，此模型中所有纖維都朝相同方向排列，纖維間排列緊湊，通孔孔徑小，顆粒易被外層的纖維表面捕集，不易進(jìn)入纖維內(nèi)部和逃逸，因此過濾效率高達(dá)98%；而在空間中隨機(jī)分布的纖維間相互交錯(cuò)穿插排列，纖維間形成的孔隙多，孔徑大，未被纖維體捕集的顆粒易逃逸，因此過濾效率相對(duì)平行 X 軸交錯(cuò)排列的低，對(duì)粒徑為0.05 mm的顆粒過濾效率僅有83%。

在相同條件下，兩不同排列方向的纖維模型內(nèi)部壓力分布云圖如圖16所示。結(jié)果表明在空間中隨機(jī)排列的纖維壓力分布不具有周期性和對(duì)稱性的變化規(guī)律，沿過濾器厚度方向，壓力損失線性下降，在纖維迎風(fēng)面，前進(jìn)的氣流受到纖維的阻礙，壓力值較大，在纖維背風(fēng)面，越靠近出口壓力值越??；平行于X軸交錯(cuò)排列纖維內(nèi)部流場(chǎng)壓力變化云圖中可得，由于模型內(nèi)所有纖維都朝向X軸交錯(cuò)排列，纖維間排列緊密，空隙較小，氣流可流動(dòng)空間小，氣流在通過纖維時(shí)受干擾程度大，遇到的阻力也大，壓力損失隨氣流通過纖維體時(shí)的能量損失而逐漸下降，因此在過濾區(qū)域內(nèi)的纖維有明顯的壓力分級(jí)現(xiàn)象，流場(chǎng)進(jìn)出口壓差比在空間中隨機(jī)排列纖維的大。在實(shí)際過濾工程中，不同應(yīng)用場(chǎng)景可能需要不同的纖維排列方式，應(yīng)充分了解纖維排列方向?qū)^濾效率的影響，以便更好地優(yōu)化過濾器的設(shè)計(jì)，以滿足特定應(yīng)用的需求。

4結(jié)論

本文通過觀察分析真實(shí)纖維濾材的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征，采用不同的建模軟件建立了直徑符合正態(tài)分布的三維隨機(jī)纖維和纖維取向平行于X軸排列的三維纖維集合體模型，探討了纖維結(jié)構(gòu)特性對(duì)其過濾性能和壓力損失的影響，得出以下結(jié)論：

（1）過濾風(fēng)速對(duì)纖維集合體內(nèi)部氣相流場(chǎng)的影響表現(xiàn)為無規(guī)律性；過濾風(fēng)速越大纖維集合體內(nèi)部壓力損失越大，纖維背風(fēng)面的阻滯區(qū)面積也越大。

（2）纖維集合體過濾效率和壓力損失隨纖維 SVF的增大而增大；當(dāng)纖維 SVF一定時(shí)，纖維過濾效率和壓力損失隨纖維直徑的增大而減小。

（3）纖維過濾效率和壓力損失隨纖維層厚度的增加而增加，當(dāng)纖維層厚度由200mm增加到250 mm時(shí)過濾效率僅提高了6.5%，而壓力損失卻增加了131.78%，因此當(dāng)濾料的過濾效率達(dá)標(biāo)時(shí)，應(yīng)盡可能的減小濾料的厚度來降低壓力，以此延長濾料的使用壽命。

（4）當(dāng)纖維取向?yàn)槠叫杏赬軸交錯(cuò)排列時(shí)，纖維過濾效率和壓力損失明顯高于在空間中隨機(jī)分布排列的纖維。

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（責(zé)任編輯：李強(qiáng)）