纤维排列结构对捕集pm

纤维排列结构对捕集pm

1基于清洁纤维过滤性能的公司用现在，中国正处于快速发展的阶段，忽视了颗粒污染。其中，我国锡行业已成为典型的重污染行业。使用纤维捕集颗粒物是一种常用方法，目前关于清洁纤维过滤性能的研究很多。Davies随纤维滤料制备技术发展，纤维取向的控制能力日益加强，受铺叠成网方式、制备参数等因素影响，制备的纤维滤料会出现不同的纤维取向2数值模型2.1流体动力特性分析对于气固两相流，采用层流(Laminar)模型、稳态(Steady)及不可压缩模型进行模拟。控制方程式中，v为流体的速度(m/s)，uf06d为流体的动力黏度(Pa·s),p为计算单元的压力(N)。斯托克斯数(St)是一个无量纲常数，是颗粒物的松弛时间和流体特征时间的比值，表示颗粒物在流体中跟随性，斯托克斯数越大，颗粒物在流体中的跟随性越差。式中，d采用了二阶迎风格式SIMPLE算法对离散化动量方程进行压力速度耦合求解，并将各项收敛残差均设定在10式中，g为重力加速度(m/s2.2边界条件设置为考察纤维层平行排列与垂直排列两种方式对其颗粒物捕集效率的影响，建立3D模型如图1所示，流体从左侧流入计算域(Domain)，从右侧流出。入口处设置为速度入口边界条件(Velocity-inlet)，出口设置为压力出口(Pressure-outlet)，四周壁面设置为对称边界(Symmetry)，取直径为20µm的圆柱形纤维，由于纤维直径远大于空气分子的自由程，因此纤维表面采用无滑移壁面条件(No-slipboundarycondition)，同一纤维层之间的距离h=50µm，纤维层与纤维层之间的距离l=50µm，计算域的长宽高为350µm×200µm×200µm。王浩明等2.3网络的独立性试验对模型进行了网格独立性检验。对于低雷诺数不压缩黏性流体，气体在过滤器中的流动应当满足Darcy方程Liu等2.4多纤维固存的性能研究纤维对颗粒物的捕集效率是纤维最重要的性能之一，多纤维捕集颗粒物的效率可由单纤维的捕集效率计算，计算公式式中，η式中，η3结果与讨论3.1异形结构纤维层捕集颗粒物性能图5为三种不同纤维层结构在0.6m/s风速下对粒径0.5～2.5μm的颗粒物的捕集效率与质量因数。从图5(a)可看出，平行结构纤维层的捕集效率符合理论公式(8)，过滤效率随着颗粒物粒径增加而增加。这因为颗粒物粒径在0.5～2.5μm增加时，纤维捕集颗粒物的机理由拦截作用变为惯性捕集，对颗粒物的捕集能力增加。单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]和双层垂直排列结构纤维层[structure(b)]的颗粒捕集效率随颗粒物粒径增加而增加，在颗粒物粒径1.5μm处开始明显上升，这是因为颗粒物粒径增大后颗粒物的斯托克数增加，惯性碰撞捕集机制的作用开始增加，这两种结构均有较大的迎风面积，有利于通过惯性碰撞机制捕集颗粒物，因此颗粒物的捕集效率明显上升，且单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]对0.5～2.5μm粒径的颗粒物捕集效率均高于双层垂直排列结构纤维层[structure(b)]。图5(b)为三种纤维结构捕集颗粒物的质量因数，平行结构质量因数平稳增加，但小于另外两种结构。单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]和双层垂直排列结构纤维层[structure(b)]两种结构的质量因数均随颗粒物粒径增加先增加后降低，两种结构的质量因数均在颗粒物粒径2.0μm时达到最大值。图6为不同粒径的颗粒物在平行结构纤维层和单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]中的流线图，当颗粒物的粒径增加，颗粒物在经过前排纤维后，由斯托克斯数决定了颗粒物的流动迹线，大粒径颗粒物在纤维后不会扩散，并在纤维后形成类似空腔的结构，直接流出计算域。而对比平行结构纤维层和单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]中颗粒物迹线图，可以看到随着颗粒物粒径变化，单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]对1.5μm的颗粒物流场有明显的扰动，提升了纤维层对颗粒物的捕集能力。3.2异形结构纤维层[结构]的捕集效率图7为纤维层填充率为14.78%时，三种纤维层结构在不同入口风速下粒径为2.5μm颗粒物的捕集效率及质量因数。由图7(a)可知，随入口风速增加，三种纤维层结构的颗粒物捕集效率均随风速增加而增加，平行纤维层的捕集效率与经验公式(8)的结果相近，而单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]和双层垂直排列结构纤维层[structure(b)]的捕集效率均明显高于平行纤维层的捕集效率。由图7(b)可知，纤维平行分布时，质量因数随风速增加稳定增加，而单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]和双层垂直排列结构纤维层[structure(b)]的质量因数随入口风速从0.2m/s增至0.8m/s时明显降低。图8为不同风速下平行结构纤维层和单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]颗粒物捕集过程中流线变化，随入口风速增加，颗粒物斯托克斯数增加，颗粒物经过前排纤维层后，在纤维后形成更大空腔，不再随气流分布到纤维后方，而直接流出计算域。对比两种纤维层中颗粒物的迹线，在单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]中，在0.2m/s的低风速下，当颗粒物在经过一次纤维后，由于后方垂直纤维层的扰动，后方的纤维能再次接触颗粒物，有效提升了单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]的捕集效率。3.3不同排列纤维层捕集颗粒物性能图9为入口风速为0.6m/s时，三种纤维结构在不同填充率对粒径为2.5μm颗粒物的捕集效率和质量因数。随填充率增加，三种排列结构纤维层对粒径2.5μm的颗粒物捕集效率上升，单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]对颗粒物的捕集效率更高。三种纤维层结构质量因数均随填充率增加而减小，在低填充率下纤维层捕集颗粒物的性能更优异，单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]在低填充率下对颗粒物的捕集性能最高。3.4异形排列纤维层结构对颗粒物停留时间的影响图10为入口风速0.6m/s时平行排列结构纤维层、单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]和双层垂直排列结构纤维层[structure(b)]捕集粒径为0.5～2.5μm颗粒物的捕集效率与颗粒物在计算域中停留时间的关系。图10(a)为平行排列结构纤维层、单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]和双层垂直排列结构纤维层[structure(b)]的捕集效率，分别为20.4%,55.9%和51.9%，单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]的捕集效率最高，捕集效率达到稳定时间最长，捕集效率受颗粒物在计算域中的停留时间影响最大，颗粒物捕集效率曲线斜率最大，因此单位时间内捕集的颗粒数最多。平行排列结构纤维层的捕集效率曲线最先达到稳定，受颗粒物在计算域中的停留时间影响最小。图10(b)～10(d)分别为不同排列结构纤维层捕集不同粒径颗粒物时的捕集效率与颗粒物在计算域中停留时间关系。由图可知，所建立的平行排列结构纤维层、单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]和双层垂直排列结构纤维层[structure(b)]在捕集粒径为2.5μm的颗粒物时，颗粒物捕集效率曲线达到稳定用时最长，捕集效率受颗粒物在计算域中停留时间影响最大。4单次充填结构纤维层捕集颗粒物性能模拟了不同排列结构的纤维层在拦截和惯性碰撞两种捕集机制下捕集颗粒物的性能，考察了颗粒物粒径、入口风速和纤维层填充率对平行排列、单层垂直排列结构纤维层[structure(a)]和双层垂直排列结构纤维层[structure(b)]捕集颗粒物性能的影响，得到如下结论：(1)颗粒物粒径增加，颗粒主要捕集机制由拦截变为惯性碰撞，颗粒物的捕集效率受纤维层排列结构影响显著增加之后趋于平缓，纤维层的性能在颗粒物粒径为2.0μm时达到最大。(2)入口风速增加，三种排列结构的纤维层对颗粒物的捕集效率增加。入口风速增加，颗粒物斯托克斯数增加，颗粒物跟随性变差，两种异形纤维层结构的性能差距随着风速增加逐渐减小，因此单层垂直排列结构纤维层[st