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颗粒物在纤维过滤介质中过滤特性的模拟研究

作 者: 于先坤
导 师: 钱付平
学 校: 安徽工业大学
专 业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 过滤介质 颗粒物 过滤特性 模拟研究
分类号: X513
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


近代工业的快速发展,带来了严重的环境污染难题,空气中含有大量有害气体和微细悬浮颗粒物,危害生态环境和人类健康。随着公众环保意识的增强以及污染物排放标准的逐步提高,优化改善现有过滤介质结构以适应新标准的工作迫在眉睫。纤维过滤技术对颗粒污染物特别是微细颗粒具有较高的过滤效率,可以达到日趋严格的环保排放标准。因此,深化纤维过滤机理的认识,改进过滤介质过滤性能以及优化改良过滤材料设计仍然是当前的研究热点。本文基于网格“冻结”技术和分形理论,结合CFD方法,分别研究了颗粒沉积对单纤维过滤效率以及颗粒粒度和轮廓分形维数对颗粒树枝沉积形态的影响;建立了具有一定曲率k的随机结构过滤介质模型,讨论了不同结构、过滤风速U,纤维曲率k,颗粒粒径Rp等参数对过滤介质过滤性能的影响,并与传统经验模型预测结果进行比较;引入离散单元法(DEM)并耦合CFD,模拟分析了纤维过滤过程中颗粒群的特性(颗粒反弹与团聚、颗粒群组分以及粒径分布等)对过滤特性的影响。研究结果表明:颗粒被过滤介质捕集的机理随颗粒粒径变化而变化,当1μm<Rp<4μm时,惯性碰撞效应起主导作用,过滤效率随风速的增大显著增大,压力损失呈线性增加;当Rp<1μm时,布朗效应起主导作用,过滤效率随风速的增加反而降低。颗粒的斯托克斯数St≤1.2时,随着St的增大,纤维介质过滤效率显著增大;但当St>1.2时,由于颗粒反弹的作用,过滤效率反而降低,因此在实际应用中,需控制St的值。“颗粒树枝”有助于过滤介质过滤效率的提高,并在其生长初期作用显著;同时过滤效率和颗粒与过滤介质的接触表面积有关,迎风面接触表面积越大,颗粒发生碰撞的概率就越高,则颗粒被捕集的概率也越高。轮廓分形维数D可以表征纤维表面颗粒树枝的粗糙和复杂程度,D愈小,颗粒树枝沉积形态的轮廓曲线分布就越均匀,结构越简单;颗粒粒度分形维数D表征了颗粒群中颗粒粒径的分布特性,D值越大,表明系统中微细颗粒所占比例越高,颗粒群就越复杂。本文所建立的具有一定曲率k的随机结构多纤维模型,其压力损失与经典的Davies实验关联式吻合较好;曲率k=1的过滤介质模型,其过滤效率要优于曲率k=0时的值,这与工程应用中的结果一致。该结论也表明本文所建立的具有一定曲率、随机结构的滤料模型可以较真实地反映实际过滤介质的结构特征。通过DEM与CFD的耦合模拟可以得到颗粒过滤过程中的气-固流动特性以及微细颗粒在过滤介质表面的沉积形态,模拟结果表明表面过滤对介质过滤效率的贡献较大,而深层过滤主要作用于粒径较小的颗粒;同时,本文定性比较了仿真模拟结果与文献的实验观测结果,说明通过计算机仿真模拟过滤介质中微细颗粒的过滤特性是可行的,这为后期进行优化过滤介质的设计参数和运行工况以及开发新型过滤材料提供了理论依据和实际指导。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章 绪论  11-23
  1.1 研究背景  11
  1.2 微细颗粒物  11-12
  1.3 空气过滤器  12-13
  1.4 滤料及其分类  13-14
  1.5 过滤介质过滤机理  14-16
    1.5.1 拦截效应  14-15
    1.5.2 惯性碰撞  15
    1.5.3 扩散效应  15
    1.5.4 静电效应  15-16
  1.6 纤维介质过滤性能的研究  16-17
    1.6.1 纤维介质压力损失  16
    1.6.2 纤维介质过滤效率  16-17
  1.7 过滤理论和技术研究的现状及进展  17-21
  1.8 本课题的研究目标、内容及意义  21-23
    1.8.1 研究目标  21
    1.8.2 研究内容及意义  21-22
    1.8.3 特色之处及创新点  22-23
第二章 单纤维介质过滤效率的数值模拟及仿真研究  23-35
  2.1 桑原(Kuwabara)流场  23-24
  2.2 球形颗粒的运动  24-26
  2.3 单纤维数值模型及边界条件  26-28
    2.3.1 模型描述  26-27
    2.3.2 气固两相流模拟及边界条件设置  27
    2.3.3 轨迹计算与单纤维效率  27-28
  2.4 CFD 数值计算结果的数据输出与处理  28-29
  2.5 结果与分析  29-34
    2.5.1 不同过滤风速下不同粒径范围的纤维过滤效率  30-32
    2.5.2 不同容密度下的纤维过滤效率  32
    2.5.3 颗粒粒径 R-R 分布的纤维过滤效率  32-34
  2.6 本章小结  34-35
第三章 颗粒沉积形态对纤维介质过滤效率影响的数值研究  35-48
  3.1 颗粒树枝现象  35-36
  3.2 基于网格“冻结”颗粒沉积形态对纤维介质过滤性能影响的研究  36-41
    3.2.1 网格“冻结”法  36-38
    3.2.2 颗粒沉积形态简化模型  38-39
    3.2.3 结果与分析  39-41
  3.3 基于分形几何法的颗粒粒度及沉积形态分形特征的研究  41-46
    3.3.1 粉尘颗粒系统中颗粒粒度的分形特征  42-44
    3.3.2 颗粒树枝沉积形态的分形特征  44-46
  3.4 本章小结  46-48
第四章 多纤维排列结构过滤介质过滤性能的数值研究  48-61
  4.1 过滤介质模型  48-49
  4.2 规则排列过滤介质模型  49-53
    4.2.1 数值模型  49-50
    4.2.2 结果与分析  50-53
  4.3 随机结构过滤介质模型  53-58
    4.3.1 数值模型  53-55
    4.3.2 网格依赖性验证  55
    4.3.3 结果与分析  55-58
  4.4 随机结构过滤介质压力损失关联式的拟合回归  58-59
  4.5 本章小结  59-61
第五章 基于离散单元法微细颗粒物在过滤介质中的运动特性  61-71
  5.1 离散单元法(DEM)简介  61-64
    5.1.1 离散单元法起源及发展  61-62
    5.1.2 离散单元法简介  62-63
    5.1.3 CFD 与 DEM 的耦合  63-64
  5.2 模型描述  64-66
  5.3 结果与分析  66-70
  5.4 本章小结  70-71
第六章 结论与展望  71-73
  6.1 全文总结  71-72
  6.2 展望  72-73
参考文献  73-79
攻读硕士期间主要成果  79-80
致谢  80

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境污染及其防治 > 大气污染及其防治 > 粒状污染物
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