高效空气过滤器内部气相流场的数值研究

　　1、前言

　　目前，全球的环境日益恶化，与人类息息相关的空气环境更是如此，已经严重地危及到人类的健康。同时，现代高科技的某些关键部分对环境的净化要求极高。因此，现代社会需要具有高效、低阻等优点的空气过滤器。纳米材料光催化技术尽管是目前最具发展前景的室内空气净化技术，但是它不能净化空气中的悬浮物及细微颗粒物。而纤维过滤技术却能有效改善常规过滤器的性能，防止微细颗粒物随着空调系统的新风进入室内，而且如果再综合利用纳米光催化技术(如表面喷涂一些纳米TiO2)还可以有效抑止甲苯、甲醛、氨气、挥发性有机物以及微生物等室内主要污染物对人们健康的威胁。

　　德国学者Albrecht和Kaufmann是最早对过滤器进行初步研究的，他们针对纤维垫开始气溶胶过滤机制的理论探讨。此后，国际上许多学者先后对过滤器的性能进行了试验和数值研究，不过这些研究大多建立在二维过滤器模型基础之上。但是为了找出过滤器结构和过滤器介质过滤性能之间的关系，这些研究还是不够的。本文在上述研究的基础上，对三维交错排列的空气过滤器内部气相流场进行数值模拟，计算不同运行条件下过滤器的阻力及纤维的阻力系数，以期对优化空气过滤器结构做一些有益的探索。

　　2、空气过滤器阻力的经验模型

　　在低流速，小雷诺数的情况下，多孔介质两端的阻力分布服从达西(Darcy)定律，其中K为达西常数：

　　3、数值计算模型

　　图1为本文计算模型及边界条件。假定空气以速度进口进入计算区域，以压力出口边界条件离开计算区域。计算区域的进口距过滤器第一排纤维长度为L，计算时为了保证气流在过滤器管道内充分发展，文中L取10 df。对于计算区域的边界，本文采用了对称边界条件。纤维表面处采用无滑移边界条件。本文计算所采用的网格的单元形状选择Hex/wedge，划分网格方式选择Cooper，网格数386035。计算时将残差设定为10-5。

　　4、结果与分析

 　　4.1流场分析

　　图2为过滤器内某一截面的流场分布。从该图可以看出：空气流过纤维时，在纤维的前壁速度减小，而在各纤维之间，速度都出现增加的趋势，但是由于纤维是交错排列的，所以与平行排列时不同的是在柱状纤维的尾部，没有形成明显的旋涡。而且从图中还可以看到：从过滤器入口的第一排纤维到最后一排纤维之间的流场结构基本呈周期性变化。

　　4.2、阻力

　　阻力是过滤器部分进出口的压差，它是反映过滤器性能的一个重要参数。图3给出了不同迎面风速下过滤器阻力数值计算值和经验模型计算值。从该图可以看出，随着迎面风速的增加，过滤器的阻力呈线性增加。本文数值计算值和Davies实验关联式吻合较好，误差低于2%，而其他经验公式预测值和实验关联式误差较大。由此可以看出，本文的数值计算可以相当准确的预测空气过滤器的阻力。

　　其中F为单位长度上纤维所受的阻力，可以通过对圆柱状纤维表面所受到总应力的积分求得。

　　图4为不同Re下纤维的阻力系数数值计算值、Tritton的经验模型预测值及Dennis和Chang[12]的理论计算值。从图4可以看出，数值计算值与经验公式预测值及理论计算值吻合较好，而且从该图还可以看出，在层流区域内(Re≤20)，纤维的阻力系数随Re的增大而减小。

　　5、结论

　　本文利用数值计算技术对交错排列空气过滤器内部气相流场进行了研究，所得结果如下：

　　(1)空气在流经纤维时，在纤维的前壁速度减小，而在各纤维之间，速度都出现增加的趋势，但是由于纤维是交错排列的，所以在柱状纤维的尾部几乎没有形成旋涡。从过滤器入口的第一排纤维到最后一排纤维之间的流场结构基本呈周期性变化。

　　(2)在预测过滤器阻力方面，数值计算结果和Daives的实验关联式吻合较好，误差在2%以内，而除了Happel经验模型以外，其它模型预测值和实验关联式误差较大。数值计算结果也表明，随着风速的增加，阻力呈线性增加。

　　(3)不同Re时阻力系数的数值计算值与经验模型计算值吻合较好，并且在层流区域内，纤维的阻力系数随Re的增大而减小。

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