纤维过滤器气相流场的数值研究

1、前言
　　据有关部门监测显示,中国48.1%的城市空气质量处于中度或重度污染,颗粒物仍是影响中国空气质量的首要污染物。目前中国大多数城市人口长期生活在可吸入颗粒物超标的空气环境中,人口超过百万的大型城市,空气中二氧化硫和颗粒物超标比例高,空气质量达标比例低
　〔1〕另一方面,现代社会中,人们几乎有90%的时间是在室内度过的
　〔2〕,为了提高室内空气品质,减少室内污染物水平,目前普遍采用的一种方式就是引入更多的室外新鲜空气。正是从这个意义上看,室外空气质量在一定程度上决定了室内空气质量水平,而颗粒物又是影响室内空气品质的重要因素之一。因此,国外早在二十多年前就开始了对颗粒物的研究,室内颗粒物的浓度及其影响因素也就成了一个重要的研究方向及课题。由于室内颗粒物绝大部分是随着空调通风系统的新风进入室内的,因此,新风质量在很大程度上决定了室内空气品质,常规空调系统的空气过滤设备是很难控制上述微细颗粒物进入室内。同时,空调系统本身也需要好的过滤器,有的中央空调系统中,过滤器仅为“初效”,或根本没有过滤器,用过几年后,系统内部不堪入目,甚至还会导致空调送风口周围出现黑渍,破坏中央空调的形象
　〔3〕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。而近几年发展起来的驻极体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。纤维过滤器中的纤维一般是永久荷电,和其它类型过滤器比较,静电作用会增强过滤效率,而且纤维过滤器还具有较低的重量和较好的完整性。和所有类型过滤器一样,衡量过滤器性能优劣的两个主要指标是捕集效率和压降。而且,过滤器的使用寿命往往都是以过滤器的终压降来衡量的。如中华人民共和国国家标准洁净厂房设计规范GBJ50073-2001
　〔4〕中规定,高效空气过滤器的压降达到初始压降的两倍时则应予以更换。所以从这个意义上来看,准确地预测纤维过滤器的压降对于过滤器的使用是非常重要的。
　　而且,准确地预测纤维过滤器内气相流场对于进一步研究其内部微细颗粒的运动也具有积极意义。但是通过实验来研究纤维过滤器结构尺寸对压降的影响,费时费力。另一方面,随着计算机技术的飞速发展,国外已有部分学者利用计算流体力学(CFD)技术研究纤维过滤器内部气固两相流场〔5-10〕,CFD计算和实验比较,明显的优点在于可以在相对便宜的情况下改变流动和结构参数同时可以获得比较准确的结果。但是,绝大部分研究者在计算时都将过滤器简化成一种规则排列的纤维结构,其结果和实际情况会存在一定的差距。实际上,纤维过滤器内部是一种多孔介质(porous medium),而且这些纤维大都为一种随机的排列结构。
　　本文利用数值计算作为工具并基于多孔介质模型来研究结构尺寸及操作参数和气相流场的关系。在此基础上得出一个能研究纤维过滤器内压力场和速度场的新方法,该方法的探索将有助于优化纤维过滤器的结构设计。

2、CFD模型
　　2.1　多孔介质模型
　　多孔介质模型采用经验公式定义多孔介质上的流动阻力。从本质上说,多孔介质模型就是在动量方程中增加了一个代表动量消耗的源项,Sj。该源项可以模拟多孔介质的作用。Sj由两部分组成:一个是粘性损失项,一个是惯性损失项　　

Gebart〔12〕则通过二维的数值模拟认为纤维过滤器中的这种粘性阻力系数实际上包括平行于纤维的粘性阻力系数和垂直于纤维的粘性阻力系数,即:

　　考虑到Davies〔13〕提出的关联式是由实验得出的,所以本文基于该关联式反推出驻多孔介质内的粘性阻力系数。由式(7),可以计算出不同SVF下过滤器的初始压降,这样便可通过Darcy定律得到多孔介质内的粘性阻力系数,即:

　　2.3　纤维过滤器模型
　　图2所示为本文计算的纤维过滤器模型,图中t为过滤器深度,为了计算需要,将进口区域和出口区域进行了适当的延长。
　　2.4　网格划分
　　本文计算时计算网格图参见图2。计算机配置为Pentium(R)D2.80 GHz,内存为1 G。残差设定为10-4。评价计算结果是否收敛时,需要考虑残差和监控计算变量(如速度、压力)的变化两方面因素。如果计算结果仅满足残差收敛是不够的,在这种情况下有的模拟算例会出现伪收敛的情况。只有在同时满足残差收敛和监控计算变量结果也稳定不变的情况下,计算结果才会真正的收敛。

3、结果与讨论
　　3.1　不同填充密度过滤器内静压分布
　　图3给出了不同填充密度时过滤器内静压沿器内轴线分布情况,图中可以看出,器内静压随过滤器深度线性变化。其进口和出口静压差即为该填充密度下过滤器的初始压降。图4为不同填充密度时过滤器的初始压降变化,图中表明:随填充密度的增加,初始压降增加明显。图5为不同填充密度时过滤器内静压的分布,图中可以看到,不同填充密度下,过滤器内静压分布情况类似,而且静压沿y方向基本不发生变化。需要说明的是,在利用多孔介质模型计算过滤器内流场时,过滤器的渗透率α的设置至关重要。本文的α值是基于Davies〔13〕的关联式得到的,尽管该关联式是基于二维的cell model而得到,但该关联式已被众多研究者作为实验数据采用。不过,对于实际应用中的纤维过滤器,α值在各个方向上是不同的。

　　3.2　相同填充密度不同纤维排列方式时过滤器内流场
　　通过上一节的分析,利用多孔介质模型对纤维过滤器内部流场进行计算时,由于计算时仅仅给定过滤器的填充密度,并不去关心过滤器内部纤维的排列情况。而对于实际应用的纤维过滤器,其内部纤维的排列将会严重影响过滤器的气固分离特性。为了观察多孔介质模型在研究过滤器流场的适应性,本文还比较了相同填充密度下不同纤维排列方式时驻极体内部的压力场和速度场。图6给出了填充密度为31%时2种随机排列方式过滤器了的速度场。
　　图中可以看到,排列方式不同,尽管填充密度相同,内部速度场明显不同,而且通过过滤器的初始压降也不同。作者认为,造成这种区别的原因是由于两种不同纤维排列过滤器的渗透性能α的不同。而由Darcy定律,渗透性的不同必然会导致过滤器内部速度场和初始压降的不同。正是从这个意义上来看,过滤器渗透性和捕集效率一样是反映过滤器性能的重要参数。而多孔介质模型由于在计算时需要给定过滤器的渗透性(粘性阻力系数K=1/α),因此,如果粘性阻力系数选择得当,多孔介质可以用于计算过滤器的气相流场。值得指出的是,在研究过滤器内部发展的气固两相流动时,还需要综合上述两种方法。这些工作正在进行中。

4、结论
　　基于多孔介质模型对二维纤维过滤器内气相流场进行了数值计算,得到了不同填充密度(SVF)和过滤器深度时纤维过滤器内的静压分布。另外,为了观察多孔介质模型在研究过滤器流场的适应性,本文还计算了不包括多孔介质模型时,相同填充密度不同纤维排列纤维过滤器内的气相流场。结果表明:基于多孔介质模型时,静压沿着过滤器深度方向线性变化,填充密度越大,初始压降也越大。因此,只要多孔介质的粘性系数选择合理该模型可以应用在计算过滤器的气相流场的场合。但是,在应用多孔介质模型计算过滤器内部流场时,没有考虑过滤器内部纤维排列方式对其内部流场的影响。本文后一部分的计算表明,过滤器内部纤维的排列行为将显著影响过滤器的流场和初始压降。因此如果要进一步研究过滤器内复杂的气固两相流动行为,还需进行深入研究。