纳米纤维过滤器加载颗粒过程的数值模拟研究

With worsening air pollution，next generation fibrous filter with more higher performance is expected for industrial production and life area,so the nano-fiber is considered because of low pressure drop and high particle capture efficiency. Considering effect of slip-boundary of nano-fiber on flow filed and particle capture, the mechanism of particle deposition on nano-fiber is deeply studied based on theoretical analysis, numerical simulation and experimental methods. The effect of dust holding capacity on pressure drop and particle capture efficiency is investigaed by nemerical simulation method. Finally, to generate a mathematic model to descript particle loading process of nano-fiber filter. This research will provide available theoretical analysis and numerical results for design of next generation nano-fiber filter.

针对日益严重的大气污染，工业生产和生命科学领域对纤维多孔介质过滤悬浮颗粒方面有着更高的性能要求，纳米纤维逐渐被应用于新型纤维过滤器中。本项目预计采用理论分析、数值模拟结合实验验证的方法，深入认识纳米纤维表面的滑移效应对流场以及颗粒过滤的影响，从而进一步研究颗粒在纳米纤维表面堆积过程的物理机制，数值模拟纳米纤维过滤器连续过滤颗粒时容尘量与压力降和过滤效率的关系，建立能够准确描述纳米纤维过滤器连续加载颗粒过程的数学模型；为新型纳米纤维过滤器的设计提供了可靠的理论依据和指导。

随着日益严重的大气污染，纤维型过滤器被认为是一种除去空气中粉尘最为有效和经济的方法之一，纳米纤维由于其高效低阻的过滤特性，逐渐被应用于新型纤维过滤器中。一般通过测定过滤阻力和效率来评测纳米纤维过滤介质的过滤性能，难以通过实验手段检测多孔结构间两相流动情况以及颗粒在纤维上沉积的动态过程，为深入了解纳米纤维过滤空气中固体颗粒的机理和理论研究带来了困难。.. 本项目采用数值模拟结合实验验证的方法，深入认识纤维多孔结构在拦截空气中固体颗粒时两相体系的流动、相间作用，颗粒在纤维沉积 过程与流场的相互作用及相关过程的定量物理机制。在实验研究、过程机理模拟、过滤性能预测模型的建立、纤维多孔结构中空气中颗粒过滤过程的数值模拟、多层纤维过滤介质的优化设计和工业应用方面均取得了较大进展:.1、设计并搭建了纤维过滤纸手抄片的制备装置，为预测模型和数值模拟的验证提供了大量的实验数据。.2、建立了双峰纤维过滤性能预测修正模型，该预测模型有助于在工业应用中简单快速预测出双峰纤维过滤介质的过滤性能，有利于设计纤维过滤介质的内部构型。.3、针对纳米纤维滑移界面的特性，发展了透气性纤维模型，构建了3D的纳米纤维多孔结构，实现了气固两相在多孔结构间的流场计算和颗粒的追踪，有效减少了计算时间。.4、建立了颗粒动态过滤过程的数值模型，实现了颗粒被捕集后固体界面的拓扑，气体流场的更新及后续颗粒轨迹的再捕捉，数值模拟预测的容尘量与实验结果吻合。.5、在对纤维多孔介质过滤空气中颗粒机理认识基础上，结合纤维过滤介质动态过滤的模拟结果，尝试开发新型纳米纤维过滤器，优化设计了内部结构，以提高纤维过滤器的使用寿命，增加过滤器的容尘量。