陣列纖維網(wǎng)過濾過程的數(shù)值模擬與分析

繆 城 潘志娟

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，蘇州，215021)

陣列纖維網(wǎng)過濾過程的數(shù)值模擬與分析

繆 城 潘志娟

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，蘇州，215021)

FLUENT軟件具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的后處理功能，可以用來模擬陣列纖維網(wǎng)的過濾過程。利用FLUENT軟件模擬方法研究了流體通過纖維陣列時的壓力變化、纖維網(wǎng)對流體中顆粒物的捕集效率的影響。模擬結(jié)果表明:纖維直徑減小、纖維層數(shù)增加時，流體壓力降增加;纖維陣列對氣流中顆粒的捕集率很低，并且纖維直徑和纖維陣列組合的變化對顆粒捕集效率的影響不明顯;當(dāng)液體流通過直徑相同的纖維陣列時，隨著纖維間間距的增大，捕集效率逐步降低;當(dāng)液體流通過由直徑不同的兩種纖維組成的混合陣列時，其捕集效率也與孔隙率相關(guān)。

FLUENT，陣列纖維網(wǎng)，過濾，壓力降，捕集效率

近年來，隨著計算機(jī)性能的提高和數(shù)值計算方法的改進(jìn)，CFD(computational fluid dynamics)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。CFD技術(shù)相對于實(shí)驗(yàn)研究有其獨(dú)特優(yōu)勢，如研究成本低、周期短，無實(shí)驗(yàn)儀器干擾，能夠得到完整的數(shù)據(jù)，能將計算情況在計算機(jī)屏幕上形象地再現(xiàn)等。CFD技術(shù)的工程應(yīng)用對設(shè)備的設(shè)計與改造起到了重要作用，目前已開發(fā)多種CFD商業(yè)軟件。相比而言，F(xiàn)LUENT軟件的功能更全面，適用性也更廣，它將不同領(lǐng)域的計算軟件組合起來，成為CFD計算機(jī)軟件群，包括前處理、數(shù)值求解和后處理三大模塊，核心部分是N-S方程組的求解模塊［1-2］。

FLUENT軟件具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，已經(jīng)在航空航天、熱能動力、土木水利、汽車工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從現(xiàn)有的研究成果來看，F(xiàn)LUENT軟件的應(yīng)用主要針對空氣流場。李磊等［3］模擬了兩種風(fēng)向條件下街區(qū)風(fēng)速分布和CO質(zhì)量濃度的分布情況;楊偉等［4］計算了大氣邊界層中單棟高層建筑的定常風(fēng)流場;趙琴［5］對空調(diào)室內(nèi)的溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。目前該軟件在空氣流場中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。FLUENT軟件在水流流場中的應(yīng)用不同于單純的空氣流場。水利工程問題邊界復(fù)雜，水汽混摻，存在多個自由水面，需要采用二相流模型，數(shù)值模擬的成果還不多。Salaheldin等［6］對垂直圓墩周圍的三維流場進(jìn)行了數(shù)值模擬;劉加海等［7］在水槽中對二維規(guī)則波進(jìn)行了數(shù)值模擬。

利用FLUENT軟件可以模擬纖維材料的過濾過程，但是文獻(xiàn)報道很少。Jaganathan等［8］預(yù)測了纖維過濾材料在過濾過程中壓力降的變化。Zobel等［9］模擬了3D纖維結(jié)構(gòu)材料的滲透性。

本文初步利用FLUENT軟件模擬流體通過纖維陣列時的壓力變化、纖維網(wǎng)對流體中顆粒物的捕集效率，分析了纖維直徑對流體壓力降以及捕集效率等的影響，為纖維過濾材料的過濾過程和機(jī)理的研究奠定基礎(chǔ)。

1 FLUENT的處理原理及求解步驟

1.1 FLUENT 處理原理［10］

使用FLUENT軟件對一些實(shí)際問題進(jìn)行模擬時，通常需要對處理的對象進(jìn)行設(shè)置工作環(huán)境、確立邊界條件和選擇最優(yōu)算法等一系列操作。尤其是選擇最優(yōu)算法，此步驟對模擬的效率及其正確性有很大的影響，需要特別重視。區(qū)域離散化就是用一組有限個離散的點(diǎn)來代替原來連續(xù)的空間，其處理原理就是把所要計算的區(qū)域劃分為許多互不重疊的子區(qū)域，然后確定每個子區(qū)域的節(jié)點(diǎn)位置和該節(jié)點(diǎn)所代表的控制體積。常用的離散化方法主要有有限差分法、有限元法和有限體積法三種。本文主要采用有限體積法，該實(shí)驗(yàn)方法就是將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個互不重復(fù)的控制體積，然后將待解的微分方程對每個控制體積積分，從而得到一組離散方程，利用FLUENT軟件模擬流體通過纖維陣列時的壓力變化、纖維網(wǎng)對流體中顆粒物的捕集效率，其中未知數(shù)是網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的因變量。

1.2 陣列纖維網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

本文以圖1所示的陣列纖維網(wǎng)為對象進(jìn)行研究。有一組粗細(xì)相同平行排列的纖維陣列，纖維在Y－Z平面內(nèi)沿Z軸方向均勻、平行排列，相鄰兩層纖維網(wǎng)中的纖維交錯排列。流體(氣流或水流)沿著X軸方向運(yùn)動，初始速度和壓力一定。

圖1 過濾模型示意

1.3 FLUENT軟件求解過程

利用數(shù)值方法求解流體問題需要遵循數(shù)值模擬方法的求解步驟［11］。FLUENT軟件的求解過程如圖2所示。

在求解過程中，某些關(guān)鍵步驟直接決定能否得到真實(shí)的模擬結(jié)果，以下著重對建立模型及創(chuàng)建網(wǎng)格、解的格式進(jìn)行分析。

1.3.1 建立模型及創(chuàng)建網(wǎng)格

圖2 FLUENT軟件的求解過程

首先要建立模擬對象，即將實(shí)際的模擬區(qū)域抽象為模型，使之能為FLUENT識別，該項工作可由FLUENT自帶的前處理軟件GAMBIT完成。由于本文的模擬對象是呈規(guī)律性排列的纖維，故在建立模型時選取其橫截面，從而將其簡化為二維問題進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格示意圖

1.3.2 解的格式

FLUENT提供三種不同的求解器算法:非耦合求解(segregated)、耦合隱式算法(coupled implicit)和耦合顯示算法(coupled explicit)。非耦合求解方法主要用于不可壓縮或壓縮性不強(qiáng)的流體流動(液體)。耦合求解(coupled)方法用于高速可壓縮流(氣體)。對于高速可壓縮流，求解網(wǎng)格比較密，建議采用耦合隱式求解方法，能較快地得到收斂解，但要求計算機(jī)內(nèi)存足夠大。如果必須要耦合求解，而計算機(jī)內(nèi)存又不夠時，可以考慮用耦合顯式求解器，但收斂時間較長。本文分析液體流時采用非耦合求解方法，分析氣體流時采用耦合隱式求解方法。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 纖維陣列結(jié)構(gòu)對水壓的影響

2.1.1 纖維層數(shù)對水壓的影響

給定纖維陣列，纖維直徑為0.8 mm，上下、左右間距均為 0.4 mm。初始壓力0.1 MPa，流速為5 m/s的水流通過兩層上述纖維陣列時，其壓力變化如圖4所示;同樣的水流通過三層上述纖維陣列時，其壓力變化的結(jié)果如圖5所示。

可以看出，水流通過兩層纖維陣列后的壓力降比三層的略小一些，前者出口處壓力約為83.7 kPa，后者出口處壓力約為75.8 kPa，即纖維層數(shù)增加使水流阻力增大，壓力降增加。

圖4 纖維直徑0.8 mm的兩層纖維陣列中的水壓變化

圖5 纖維直徑0.8 mm的三層纖維陣列中的水壓變化

2.1.2 纖維直徑及孔隙大小對水壓的影響

將直徑為0.8 mm的纖維按照上下、左右間距均為0.4 mm的方式排列，另將直徑為1 mm的纖維按照上下、左右間距為0.5 mm的方式排列，兩種纖維陣列的孔隙率均接近50%。初始壓力0.1 MPa，流速為5 m/s的水流分別通過三層上述兩種纖維陣列時，其壓力的變化分別如圖5和圖6所示。

圖6 纖維直徑1 mm的三層纖維陣列中的水壓變化

可以看出，對于孔隙率均接近50%的纖維陣列，直徑和孔隙小的纖維陣列的壓力降(出口處壓力約為75.8 kPa)比直徑和孔隙大的纖維陣列(出口處壓力約為80.5 kPa)略大，說明細(xì)纖維和小孔隙使水流阻力增加。

2.2 纖維陣列結(jié)構(gòu)對過濾效果的影響

本文采用了直徑為1 μm和2 μm的兩種纖維，構(gòu)建了含有三層纖維的6種不同的陣列結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)見表1。

2.2.1 纖維陣列結(jié)構(gòu)對氣體過濾效果的影響

現(xiàn)給定一組氣流，初始壓力0.1 MPa，流速為5 m/s，氣流中加入直徑為1 μm的塵埃顆粒。將上述氣流通入表1所示6種纖維陣列中，并設(shè)定入口面寬度均為15 μm，其顆粒捕集率見表2。

表1 纖維陣列的排列方式

表2 纖維陣列對氣流中顆粒的捕集效率

從表2可以看出，當(dāng)纖維直徑和顆粒直徑、纖維間距都是微米量級時，纖維陣列對氣流中顆粒的捕集率很低。纖維直徑和纖維陣列組合的變化對顆粒捕集效率的影響不明顯。

2.2.2 纖維陣列結(jié)構(gòu)對液體過濾效果的影響

現(xiàn)給定一組液流，初始壓力0.1 MPa，流速為5 m/s，液流中加入直徑為1 μm的沙土顆粒。將上述液流通入表1所示6種纖維陣列中，并設(shè)定入口面寬度均為15 μm，其顆粒捕集率見表3。

表3 纖維陣列對液流中顆粒的捕集效率

當(dāng)纖維直徑相同(2 μm)時，單(2-1.5)纖維陣列的顆粒捕集效率最高，隨著纖維之間間距的逐步增大，孔隙率增加，纖維網(wǎng)對顆粒的捕集效率下降。

對比單(2-2)和單(1-2)可以看出，在纖維間距相同的情況下，纖維直徑減小，顆粒捕集效率下降，這是因?yàn)槔w維直徑下降導(dǎo)致纖維網(wǎng)的孔隙率增大。

改變纖維陣列的排列，采取兩種直徑不同的纖維交叉排列，結(jié)果顯示混 (2-1-2)的顆粒捕集效率要比混(1-2-1)高出17個百分點(diǎn)，這也是因?yàn)閮烧叩目紫堵什煌斐傻?，前者的孔隙率小于后者?/p>

3 結(jié)論

FLUENT軟件能夠模擬氣流、液流通過纖維陣列時的流動過程。纖維直徑減小、纖維層數(shù)增加時，流體壓力降增加。對加入了顆粒的流體通過纖維陣列后的捕集效率的分析表明，不管是單一纖維陣列還是混合纖維陣列，孔隙率是影響纖維網(wǎng)對顆粒捕集效率的主要因素。

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Numerical simulation of filtering process in fiber array

Miao Cheng，Pan Zhijuan
(College of Textile and Clothing Engineering，Soochow University)

FLUENT software provides rich physical modeling，advanced numerical methods and powerful post-processing functions，can be used to simulate filtering process in fiber array.FLUENT software was used as a tool to simulate the pressure changing as the fluid through the fiber array and the effect of fiber array on the collection efficiency of particles in fluid.The simulation results showed that the pressure drop of the fluid raised when fiber diameter reduced or the number of fiber layers increased，fiber array exhibited a low collection efficiency of particles in airflow，and there was no obvious influence on the collection efficiency of particles when the fiber diameter or the combination of fiber array was changed.When the liquid flow went through the fiber array with the same fiber diameter，the collection efficiency of particles decreased gradually with the increasing distance between fibers.When the liquid flow through the mixed fiber array composed of fibers with two different fiber diameters，the collection efficiency of particles was also related to the porosity ratio.

FLUENT，fiber array，filter，pressure drop，collection efficiency

TQ019;TQ028.26;TQ028.53

A

1004－7093(2010)09－0017－06

2010－06－05

繆城，男，1983年生，在讀碩士研究生。主要從事纖維過濾材料的研究。