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多管式高效空气过滤器的数值模拟研究

作　者: 张锋超
导　师: 曹家枞
学　校: 东华大学
专　业: 供热、供燃气、通风与空调工程
关键词: 多管式高效空气过滤器速度场标准k-ε二方程湍流模型 UPWIND格式 Darcy定律 SIMPLE算法数值模拟压降
分类号: TU831.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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引　用: 6次
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内容摘要

本文用数值模拟的方法对多管式高效空气过滤器内的流场流动问题进行了深入的分析和研究。以过滤器物理模型为基础,对过滤器内的流动问题做了合理的假设和简化,建立了该问题的数值模拟模型。该模型以标准k-ε二方程湍流模型为基础,采用UPWIND格式对微分方程进行离散,近壁处的流动采用壁面函数法,对于过滤器内的滤料以多孔介质来处理,其压降符合Darcy定律,并用SIMPLE算法来求解方程,得到了过滤器内流场速度和压力分布状况。在基本模型的基础上,对不同过滤器结构方案的算例进行了模拟运行比较,确定了合理的结构方案。在此基础上进行了不同风量的模拟比较,从而验证了本模拟模型和过滤器结构的广泛适用性。实验数据和模拟结果的对比分析得到了两者的误差,各规格其误差均保持在5%以内,从而验证了本文过滤器数值模拟模型的可靠性、准确性。在此基础上,对过滤器内的流场特征进行了详细深入的分析。在对各规格过滤器滤管间流量分配状况对比分析时发现,本文所研究过滤器的滤管分布相当合理,各滤管间流量差异不超过6%,且大多数滤管间流量差异保持在2%以内。对流量沿管长的分布研究发现,其变化特征表现出较严格的线性关系,这与本文的另外一个结论相一致,即过滤速度沿管长保持稳定,变化幅度在6%以内。此外,滤料两侧的压力差也保持了同样的稳定性,其沿管长也近似不变。这都说明了滤管在长度上其过滤功效相当,保持稳定。研究还表明,滤料阻力占过滤器总阻力的比例相当高,在75%～99%之间,从而说明了滤料阻力的减小是过滤器降阻的重点内容。本文利用数值模拟数据拟合得到了该型过滤器阻力计算公式ΔP=1608v_i^0.9,以便在工程中对该型过滤器进行阻力初步预测和计算。并对相关文献中的阻力计算公式进行了修正和改进,提出了更为准确的阻力计算公式。

全文目录

第一章绪论  9-18
  1.1 空气洁净概述  9-10
  1.2 空气过滤技术的发展动态  10-11
  1.3 高效空气过滤的研究现状  11-15
  1.4 过滤问题的数值模拟  15-16
    1.4.1 计算流体力学简介  15
    1.4.2 过滤问题的数值模拟  15-16
  1.5 课题的主要内容及意义  16-18
第二章空气洁净技术概论  18-28
  2.1 空气过滤技术原理  18-22
    2.1.1 室外空气中的悬浮微粒—大气尘  18-19
    2.1.2 对微粒的过滤机理  19
    2.1.3 空气过滤器的性能表示  19-22
    2.1.4 空气过滤器分类  22
  2.2 多管式高效过滤器的开发和设计  22-25
    2.2.1 传统的折叠形滤纸高效过滤器  22-23
    2.2.2 多管式高效过滤器的研制  23-25
  2.3 影响多管式高效过滤器性能因素的理论分析  25-28
第三章多管式空气过滤器内流动数值计算理论基础  28-38
  3.1 控制方程  28
  3.2 湍流流动的数值模拟  28-32
    3.2.1 湍流粘性系数法  29-30
    3.2.2 零方程模型(zero equation model)  30
    3.2.3 一方程模型(one-equation model)  30
    3.2.4 k-ε两方程模型(two-equation medel)  30-32
  3.3 计算区域与控制方程的离散化  32
  3.4 通用方程的离散  32-33
  3.5 代数方程的求解  33-36
    3.5.1 交叉网格  34-35
    3.5.2 SIMPLE算法  35-36
  3.6 壁面函数  36-38
第四章多管式高效空气过滤器内部流动仿真模型及其算法  38-43
  4.1 过滤器的结构  38
  4.2 基本假设  38-39
  4.3 模拟模型的空间构造  39-40
    4.3.1 模型的空间构造  39
    4.3.2 滤管的简化  39-40
  4.4 网格的生成和划分  40-41
  4.5 湍流模型及边界条件(初始条件)  41
  4.6 判敛条件  41-42
  4.7 本章小结  42-43
第五章结构方案的模拟计算和优化  43-56
  5.1 额定风量下不同入口位置的模拟比较  43-50
  5.2 额定风量下不同入口尺寸的模拟比较  50-52
  5.3 变风量情况的模拟和比较  52-55
  5.4 本章小结  55-56
第六章数值模拟结果分析  56-82
  6.1 数值模拟与实验结果的对比分析  56-58
  6.2 流场特征分析  58-68
    6.2.1 入口区域流场特征分析  59-62
    6.2.2 过滤区域流场特征分析  62-67
    6.2.3 出口区域流场特征分析  67-68
  6.3 滤管内速度压力分布特征  68-75
    6.3.1 滤管内速度(流量)变化特征  68-70
    6.3.2 滤管表面过滤速度变化特征  70-72
    6.3.3 滤管压降变化特征  72-75
  6.4 依据模拟结果拟合过滤器阻力计算公式  75-79
    6.4.1 拟合阻力计算公式  75-76
    6.4.2 拟合阻力计算公式的显著性分析  76-77
    6.4.3 拟合阻力曲线公式与源数据对比分析  77-79
  6.5 过滤器阻力计算公式分析比较(两个公式)其适用性和准确性  79-81
  6.6 本章小结  81-82
第七章结论  82-83
参考文献  83-86
主要符号表  86-87
附录一  87-99
附录二  99-111
硕士期间发表论文  111-112
致谢  112

多管式高效空气过滤器的数值模拟研究

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