基于分形理论空气过滤尘滤尘机理及过滤模型

本项目针对空气过滤尘滤尘机理及过滤模型这一重要课题，开展以下方面的研究工作：.1）研究粉尘颗粒在过滤介质中质量传递、粉尘与过滤介质相互作用的物理机制及尘滤尘机理，并定量描述粉尘颗粒在过滤介质中的分布、浓度扩散、输运与沉积规律；2)基于分形动力学理论研究粉尘颗粒的分形特性与纤维过滤介质分形维数、孔隙率、渗透系数等参数相关关系，在介观层面对微细粉尘颗粒物沉积演化和被捕集过程进行量化预测；3）研究粉尘颗粒在纤维过滤介质中迁移及质量输运过程规律和粉尘颗粒在过滤介质中质量传递的数值模拟方法。研究如何利用尘滤尘机理促进颗粒团簇凝聚和被捕集的途径及方式；4）基于分形动力学理论研究空气过滤中纤维过滤介质分形维数对粉尘颗粒捕集效率及过滤压力损失的影响及规律，给出空气过滤捕集效率及压力损失基于分形动力学理论的计算模型。

本课题采用计算机模拟技术及理论和实验测试相结合方法，对纤维的尘滤尘机理、纤维介质的压力损失及捕集效率，采用分形理论进行了研究。完成单分散及多分散颗粒物在单纤维及多纤维表面和内部颗粒可视化程序的编制。该程序可实现单分散及多分散颗粒物在单纤维和多纤维表面及内部颗粒的沉积增长过程，为模拟尘滤尘机理提供了条件。完成直纤维及弯曲纤维虚拟过滤介质几何模型构建程序的编制。该程序可生成两个方向及三个方向随机分布的直纤维或弯曲纤维介质。可生成各种不同结构形式的纤维过滤材料模型，该模型可输入fluent进行数值模拟或通过3D打印技术输出三体实体几何模型。为进行纤维介质放大模化实验提供前提及条件。通过自编程模拟计算提出考虑尘滤尘机理的单纤维捕集效率计算表达式。含尘纤维计算预测结果与文献基本吻合。考虑了颗粒的反弹作用，对单纤维捕集效率计算进行了修正。通过计算机编程实现了粉尘沉积的三维结构，并获得其分形维数，得出了分形维数与纤维直径及填充料的关联关系，为研究分形增长动力学的微观机制提供了条件。.基于二维和三维虚拟纤维介质压力损失模拟提出压力损失与分形维数，填充料、纤维直径及过滤风速的关系式。提高了压力损失预测的精度和科学依据，摆脱了依据经验公式预测压力损失的现状。通过拉格朗日模拟对纤维过滤介质浓度扩散方程求解研究过滤介质捕集效率与其主要影响因素的关系。通过二维和三维虚拟纤维介质模拟提出捕集效率模型。此模型修正了捕集效率计算公式。采用UDF程序编译通过UDS自定义方程求解方法首次实现了欧拉方法对纤维介质捕集效率的模拟。模拟结果与文献基本吻合。对十多种纤维过滤介质进行了压力损失及捕集效率实验测试，对提出的模型进行了验证。提出了基于分形理论的纤维压力损失及捕集效率计算公式，其预测结果与文献及实验测试结果基本一致。