高效空氣過(guò)濾器內(nèi)部氣相流場(chǎng)的數(shù)值研究

　　1、前言
　　目前，全球的環(huán)境日益惡化，與人類(lèi)息息相關(guān)的空氣環(huán)境更是如此，已經(jīng)嚴(yán)重地危及到人類(lèi)的健康。同時(shí)，現(xiàn)代高科技的某些關(guān)鍵部分對(duì)環(huán)境的凈化要求極高。因此，現(xiàn)代社會(huì)需要具有高效、低阻等優(yōu)點(diǎn)的空氣過(guò)濾器。納米材料光催化技術(shù)盡管是目前最具發(fā)展前景的室內(nèi)空氣凈化技術(shù)，但是它不能凈化空氣中的懸浮物及細(xì)微顆粒物。而纖維過(guò)濾技術(shù)卻能有效改善常規(guī)過(guò)濾器的性能，防止微細(xì)顆粒物隨著空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)，而且如果再綜合利用納米光催化技術(shù)(如表面噴涂一些納米TiO2)還可以有效抑止甲苯、甲醛、氨氣、揮發(fā)性有機(jī)物以及微生物等室內(nèi)主要污染物對(duì)人們健康的威脅。
　　德國(guó)學(xué)者Albrecht和Kaufmann是最早對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行初步研究的，他們針對(duì)纖維墊開(kāi)始?xì)馊苣z過(guò)濾機(jī)制的理論探討。此后，國(guó)際上許多學(xué)者先后對(duì)過(guò)濾器的性能進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究，不過(guò)這些研究大多建立在二維過(guò)濾器模型基礎(chǔ)之上。但是為了找出過(guò)濾器結(jié)構(gòu)和過(guò)濾器介質(zhì)過(guò)濾性能之間的關(guān)系，這些研究還是不夠的。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，對(duì)三維交錯(cuò)排列的空氣過(guò)濾器內(nèi)部氣相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算不同運(yùn)行條件下過(guò)濾器的阻力及纖維的阻力系數(shù)，以期對(duì)優(yōu)化空氣過(guò)濾器結(jié)構(gòu)做一些有益的探索。

　　2、空氣過(guò)濾器阻力的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br /> 　　在低流速，小雷諾數(shù)的情況下，多孔介質(zhì)兩端的阻力分布服從達(dá)西(Darcy)定律，其中K為達(dá)西常數(shù)：

　　3、數(shù)值計(jì)算模型
　　圖1為本文計(jì)算模型及邊界條件。假定空氣以速度進(jìn)口進(jìn)入計(jì)算區(qū)域，以壓力出口邊界條件離開(kāi)計(jì)算區(qū)域。計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口距過(guò)濾器第一排纖維長(zhǎng)度為L(zhǎng)，計(jì)算時(shí)為了保證氣流在過(guò)濾器管道內(nèi)充分發(fā)展，文中L取10 df。對(duì)于計(jì)算區(qū)域的邊界，本文采用了對(duì)稱(chēng)邊界條件。纖維表面處采用無(wú)滑移邊界條件。本文計(jì)算所采用的網(wǎng)格的單元形狀選擇Hex/wedge，劃分網(wǎng)格方式選擇Cooper，網(wǎng)格數(shù)386035。計(jì)算時(shí)將殘差設(shè)定為10-5。

　　4、結(jié)果與分析
 　　4.1流場(chǎng)分析
　　圖2為過(guò)濾器內(nèi)某一截面的流場(chǎng)分布。從該圖可以看出：空氣流過(guò)纖維時(shí)，在纖維的前壁速度減小，而在各纖維之間，速度都出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但是由于纖維是交錯(cuò)排列的，所以與平行排列時(shí)不同的是在柱狀纖維的尾部，沒(méi)有形成明顯的旋渦。而且從圖中還可以看到：從過(guò)濾器入口的第一排纖維到最后一排纖維之間的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本呈周期性變化。

　　4.2、阻力
　　阻力是過(guò)濾器部分進(jìn)出口的壓差，它是反映過(guò)濾器性能的一個(gè)重要參數(shù)。圖3給出了不同迎面風(fēng)速下過(guò)濾器阻力數(shù)值計(jì)算值和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算值。從該圖可以看出，隨著迎面風(fēng)速的增加，過(guò)濾器的阻力呈線(xiàn)性增加。本文數(shù)值計(jì)算值和Davies實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式吻合較好，誤差低于2%，而其他經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式誤差較大。由此可以看出，本文的數(shù)值計(jì)算可以相當(dāng)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)空氣過(guò)濾器的阻力。

　　其中F為單位長(zhǎng)度上纖維所受的阻力，可以通過(guò)對(duì)圓柱狀纖維表面所受到總應(yīng)力的積分求得。
　　圖4為不同Re下纖維的阻力系數(shù)數(shù)值計(jì)算值、Tritton的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)值及Dennis和Chang[12]的理論計(jì)算值。從圖4可以看出，數(shù)值計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)值及理論計(jì)算值吻合較好，而且從該圖還可以看出，在層流區(qū)域內(nèi)(Re≤20)，纖維的阻力系數(shù)隨Re的增大而減小。

　　5、結(jié)論
　　本文利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)對(duì)交錯(cuò)排列空氣過(guò)濾器內(nèi)部氣相流場(chǎng)進(jìn)行了研究，所得結(jié)果如下：
　　(1)空氣在流經(jīng)纖維時(shí)，在纖維的前壁速度減小，而在各纖維之間，速度都出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但是由于纖維是交錯(cuò)排列的，所以在柱狀纖維的尾部幾乎沒(méi)有形成旋渦。從過(guò)濾器入口的第一排纖維到最后一排纖維之間的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本呈周期性變化。
　　(2)在預(yù)測(cè)過(guò)濾器阻力方面，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和Daives的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式吻合較好，誤差在2%以?xún)?nèi)，而除了Happel經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵酝?，其它模型預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式誤差較大。數(shù)值計(jì)算結(jié)果也表明，隨著風(fēng)速的增加，阻力呈線(xiàn)性增加。
　　(3)不同Re時(shí)阻力系數(shù)的數(shù)值計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算值吻合較好，并且在層流區(qū)域內(nèi)，纖維的阻力系數(shù)隨Re的增大而減小。