纖維過濾器氣相流場的數(shù)值研究

1、前言
　　據(jù)有關(guān)部門監(jiān)測顯示,中國48.1%的城市空氣質(zhì)量處于中度或重度污染,顆粒物仍是影響中國空氣質(zhì)量的首要污染物。目前中國大多數(shù)城市人口長期生活在可吸入顆粒物超標(biāo)的空氣環(huán)境中,人口超過百萬的大型城市,空氣中二氧化硫和顆粒物超標(biāo)比例高,空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)比例低
　〔1〕另一方面,現(xiàn)代社會中,人們幾乎有90%的時間是在室內(nèi)度過的
　〔2〕,為了提高室內(nèi)空氣品質(zhì),減少室內(nèi)污染物水平,目前普遍采用的一種方式就是引入更多的室外新鮮空氣。正是從這個意義上看,室外空氣質(zhì)量在一定程度上決定了室內(nèi)空氣質(zhì)量水平,而顆粒物又是影響室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要因素之一。因此,國外早在二十多年前就開始了對顆粒物的研究,室內(nèi)顆粒物的濃度及其影響因素也就成了一個重要的研究方向及課題。由于室內(nèi)顆粒物絕大部分是隨著空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)的,因此,新風(fēng)質(zhì)量在很大程度上決定了室內(nèi)空氣品質(zhì),常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的空氣過濾設(shè)備是很難控制上述微細(xì)顆粒物進(jìn)入室內(nèi)。同時,空調(diào)系統(tǒng)本身也需要好的過濾器,有的中央空調(diào)系統(tǒng)中,過濾器僅為“初效”,或根本沒有過濾器,用過幾年后,系統(tǒng)內(nèi)部不堪入目,甚至還會導(dǎo)致空調(diào)送風(fēng)口周圍出現(xiàn)黑漬,破壞中央空調(diào)的形象
　〔3〕納米材料光催化技術(shù)盡管是目前最具發(fā)展前景的室內(nèi)空氣凈化技術(shù),但是它不能凈化空氣中的懸浮物及細(xì)微顆粒物。而近幾年發(fā)展起來的駐極體過濾技術(shù)卻能有效改善常規(guī)過濾器的性能,防止微細(xì)顆粒物隨著空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi),而且如果再綜合利用納米光催化技術(shù)(如表面噴涂一些納米TiO2)還可以有效抑止甲苯、甲醛、氨氣、揮發(fā)性有機(jī)物以及微生物等室內(nèi)主要污染物對人們健康的威脅。纖維過濾器中的纖維一般是永久荷電,和其它類型過濾器比較,靜電作用會增強(qiáng)過濾效率,而且纖維過濾器還具有較低的重量和較好的完整性。和所有類型過濾器一樣,衡量過濾器性能優(yōu)劣的兩個主要指標(biāo)是捕集效率和壓降。而且,過濾器的使用壽命往往都是以過濾器的終壓降來衡量的。如中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范GBJ50073-2001
　〔4〕中規(guī)定,高效空氣過濾器的壓降達(dá)到初始壓降的兩倍時則應(yīng)予以更換。所以從這個意義上來看,準(zhǔn)確地預(yù)測纖維過濾器的壓降對于過濾器的使用是非常重要的。
　　而且,準(zhǔn)確地預(yù)測纖維過濾器內(nèi)氣相流場對于進(jìn)一步研究其內(nèi)部微細(xì)顆粒的運(yùn)動也具有積極意義。但是通過實(shí)驗(yàn)來研究纖維過濾器結(jié)構(gòu)尺寸對壓降的影響,費(fèi)時費(fèi)力。另一方面,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,國外已有部分學(xué)者利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)研究纖維過濾器內(nèi)部氣固兩相流場〔5-10〕,CFD計(jì)算和實(shí)驗(yàn)比較,明顯的優(yōu)點(diǎn)在于可以在相對便宜的情況下改變流動和結(jié)構(gòu)參數(shù)同時可以獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)果。但是,絕大部分研究者在計(jì)算時都將過濾器簡化成一種規(guī)則排列的纖維結(jié)構(gòu),其結(jié)果和實(shí)際情況會存在一定的差距。實(shí)際上,纖維過濾器內(nèi)部是一種多孔介質(zhì)(porous medium),而且這些纖維大都為一種隨機(jī)的排列結(jié)構(gòu)。
　　本文利用數(shù)值計(jì)算作為工具并基于多孔介質(zhì)模型來研究結(jié)構(gòu)尺寸及操作參數(shù)和氣相流場的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上得出一個能研究纖維過濾器內(nèi)壓力場和速度場的新方法,該方法的探索將有助于優(yōu)化纖維過濾器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2、CFD模型
　　2.1　多孔介質(zhì)模型
　　多孔介質(zhì)模型采用經(jīng)驗(yàn)公式定義多孔介質(zhì)上的流動阻力。從本質(zhì)上說,多孔介質(zhì)模型就是在動量方程中增加了一個代表動量消耗的源項(xiàng),Sj。該源項(xiàng)可以模擬多孔介質(zhì)的作用。Sj由兩部分組成:一個是粘性損失項(xiàng),一個是慣性損失項(xiàng)　　

Gebart〔12〕則通過二維的數(shù)值模擬認(rèn)為纖維過濾器中的這種粘性阻力系數(shù)實(shí)際上包括平行于纖維的粘性阻力系數(shù)和垂直于纖維的粘性阻力系數(shù),即:

　　考慮到Davies〔13〕提出的關(guān)聯(lián)式是由實(shí)驗(yàn)得出的,所以本文基于該關(guān)聯(lián)式反推出駐多孔介質(zhì)內(nèi)的粘性阻力系數(shù)。由式(7),可以計(jì)算出不同SVF下過濾器的初始壓降,這樣便可通過Darcy定律得到多孔介質(zhì)內(nèi)的粘性阻力系數(shù),即:

　　2.3　纖維過濾器模型
　　圖2所示為本文計(jì)算的纖維過濾器模型,圖中t為過濾器深度,為了計(jì)算需要,將進(jìn)口區(qū)域和出口區(qū)域進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难娱L。
　　2.4　網(wǎng)格劃分
　　本文計(jì)算時計(jì)算網(wǎng)格圖參見圖2。計(jì)算機(jī)配置為Pentium(R)D2.80 GHz,內(nèi)存為1 G。殘差設(shè)定為10-4。評價計(jì)算結(jié)果是否收斂時,需要考慮殘差和監(jiān)控計(jì)算變量(如速度、壓力)的變化兩方面因素。如果計(jì)算結(jié)果僅滿足殘差收斂是不夠的,在這種情況下有的模擬算例會出現(xiàn)偽收斂的情況。只有在同時滿足殘差收斂和監(jiān)控計(jì)算變量結(jié)果也穩(wěn)定不變的情況下,計(jì)算結(jié)果才會真正的收斂。

3、結(jié)果與討論
　　3.1　不同填充密度過濾器內(nèi)靜壓分布
　　圖3給出了不同填充密度時過濾器內(nèi)靜壓沿器內(nèi)軸線分布情況,圖中可以看出,器內(nèi)靜壓隨過濾器深度線性變化。其進(jìn)口和出口靜壓差即為該填充密度下過濾器的初始壓降。圖4為不同填充密度時過濾器的初始壓降變化,圖中表明:隨填充密度的增加,初始壓降增加明顯。圖5為不同填充密度時過濾器內(nèi)靜壓的分布,圖中可以看到,不同填充密度下,過濾器內(nèi)靜壓分布情況類似,而且靜壓沿y方向基本不發(fā)生變化。需要說明的是,在利用多孔介質(zhì)模型計(jì)算過濾器內(nèi)流場時,過濾器的滲透率α的設(shè)置至關(guān)重要。本文的α值是基于Davies〔13〕的關(guān)聯(lián)式得到的,盡管該關(guān)聯(lián)式是基于二維的cell model而得到,但該關(guān)聯(lián)式已被眾多研究者作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用。不過,對于實(shí)際應(yīng)用中的纖維過濾器,α值在各個方向上是不同的。

　　3.2　相同填充密度不同纖維排列方式時過濾器內(nèi)流場
　　通過上一節(jié)的分析,利用多孔介質(zhì)模型對纖維過濾器內(nèi)部流場進(jìn)行計(jì)算時,由于計(jì)算時僅僅給定過濾器的填充密度,并不去關(guān)心過濾器內(nèi)部纖維的排列情況。而對于實(shí)際應(yīng)用的纖維過濾器,其內(nèi)部纖維的排列將會嚴(yán)重影響過濾器的氣固分離特性。為了觀察多孔介質(zhì)模型在研究過濾器流場的適應(yīng)性,本文還比較了相同填充密度下不同纖維排列方式時駐極體內(nèi)部的壓力場和速度場。圖6給出了填充密度為31%時2種隨機(jī)排列方式過濾器了的速度場。
　　圖中可以看到,排列方式不同,盡管填充密度相同,內(nèi)部速度場明顯不同,而且通過過濾器的初始壓降也不同。作者認(rèn)為,造成這種區(qū)別的原因是由于兩種不同纖維排列過濾器的滲透性能α的不同。而由Darcy定律,滲透性的不同必然會導(dǎo)致過濾器內(nèi)部速度場和初始壓降的不同。正是從這個意義上來看,過濾器滲透性和捕集效率一樣是反映過濾器性能的重要參數(shù)。而多孔介質(zhì)模型由于在計(jì)算時需要給定過濾器的滲透性(粘性阻力系數(shù)K=1/α),因此,如果粘性阻力系數(shù)選擇得當(dāng),多孔介質(zhì)可以用于計(jì)算過濾器的氣相流場。值得指出的是,在研究過濾器內(nèi)部發(fā)展的氣固兩相流動時,還需要綜合上述兩種方法。這些工作正在進(jìn)行中。

4、結(jié)論
　　基于多孔介質(zhì)模型對二維纖維過濾器內(nèi)氣相流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,得到了不同填充密度(SVF)和過濾器深度時纖維過濾器內(nèi)的靜壓分布。另外,為了觀察多孔介質(zhì)模型在研究過濾器流場的適應(yīng)性,本文還計(jì)算了不包括多孔介質(zhì)模型時,相同填充密度不同纖維排列纖維過濾器內(nèi)的氣相流場。結(jié)果表明:基于多孔介質(zhì)模型時,靜壓沿著過濾器深度方向線性變化,填充密度越大,初始壓降也越大。因此,只要多孔介質(zhì)的粘性系數(shù)選擇合理該模型可以應(yīng)用在計(jì)算過濾器的氣相流場的場合。但是,在應(yīng)用多孔介質(zhì)模型計(jì)算過濾器內(nèi)部流場時,沒有考慮過濾器內(nèi)部纖維排列方式對其內(nèi)部流場的影響。本文后一部分的計(jì)算表明,過濾器內(nèi)部纖維的排列行為將顯著影響過濾器的流場和初始壓降。因此如果要進(jìn)一步研究過濾器內(nèi)復(fù)雜的氣固兩相流動行為,還需進(jìn)行深入研究。