朱 輝,楊 會,付海明*,亢燕銘
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橢圓纖維過濾壓降與慣性捕集效率數(shù)值分析
朱 輝1,2,楊 會1,付海明1*,亢燕銘1
(1.東華大學環(huán)境科學與工程學院,上海 201620;2.桂林航天工業(yè)學院能源與建筑環(huán)境學院,廣西 桂林 541004)
采用數(shù)值方法求解了描述橢圓截面纖維繞流特征的Navier-Stokes方程,并計算了橢圓纖維對粒子慣性捕集效率及纖維過濾壓降.分析討論了橢圓纖維迎風角度、長短軸比和填充率等參數(shù)對慣性粒子過濾性能的影響.結果表明,在大迎風角度時,過濾壓降隨長短軸比增大而增大,而在小迎風角度下,過濾壓降則隨長短軸比增大而減小;在相同纖維長短軸比條件下,過濾壓降均隨迎風角增大而增加.粒子慣性捕集效率計算結果則表明,對于中高慣性粒子捕集,大迎風角度和高長短軸比的橢圓纖維的捕集效率高于圓截面纖維,而對弱慣性粒子,小迎風角度和高長短軸比的橢圓纖維則表現(xiàn)出較高的捕集效率.在橢圓纖維過濾壓降和捕集效率計算基礎上,采用纖維過濾質(zhì)量因子(定義為捕集效率比過濾阻力)評價綜合過濾性能.結果表明,對于中高慣性粒子過濾,扁長型橢圓纖維(即為高長短軸比)在迎風角約為=45°時質(zhì)量因子總體較高,即具有較優(yōu)的綜合過濾性能;而對弱慣性粒子,則扁長型橢圓纖維長軸平行來流方向(=0°)時,總體過濾性能較優(yōu).
氣溶膠過濾;橢圓纖維;過濾阻力;慣性捕集效率;數(shù)值計算
隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展,大氣顆粒物已成為許多城市環(huán)境空氣中的首要污染物,已對城市環(huán)境和人體健康構成嚴重威脅[1-4].基于纖維過濾原理的微粒捕集系統(tǒng)是目前最為有效的顆粒清除技術方案之一,廣泛應用于工業(yè)除塵、潔凈室空氣凈化以及建筑通風空調(diào)等領域. 描述纖維過濾性能的主要指標為過濾效率、阻力以及容塵量(即使用壽命),開發(fā)出滿足環(huán)境控制要求的高效率、低阻力以及使用壽命長的纖維濾材已成為大氣環(huán)境和建筑環(huán)境領域的重要研究課題[5-8].
基于對纖維過濾中粒子捕集動力學機理和阻力形成機制的認識,已提出了諸多提高纖維過濾性能的優(yōu)化方案[9-11].近年來隨著纖維制造工藝技術的革新,由非圓截面纖維體(如三角形、方形、矩形、橢圓形、花瓣形等)構成的新型纖維濾料已逐漸應用于工程實踐[12-13].有研究指出[14-15],相比其他截面形狀的纖維(如方形、圓形、三葉形)橢圓形截面纖維的繞流流線型更好,過濾阻力更低,具有更優(yōu)的過濾性能.為從過濾機理上揭示出橢圓纖維過濾性能的增益效應,已有研究者采用理論和數(shù)值計算討論了橢圓纖維過濾阻力和粒子捕集動力學特性[16-24],認為橢圓纖維過濾性能的增益效果取決于粒子尺度、纖維橢圓形截面長短軸比、迎風角度(纖維截面長軸與來流風速的夾角)以及過濾風速等諸多因素.然而,上述研究多從粒子捕集效率角度探討橢圓纖維的過濾性能,忽視了橢圓纖維在與傳統(tǒng)圓截面纖維相同截面積條件下具有更大表面積,由此導致過濾阻力的增大和與之相關的過濾系統(tǒng)運行能耗的增加.因此,以效率為單一評價指標的橢圓纖維結構優(yōu)化設計方案可能會給出錯誤的優(yōu)選結果,故需綜合考慮過濾效率和阻力兩方面因素方能尋求到最佳過濾性能的橢圓纖維幾何結構.
本文針對慣性捕集機理主導的過濾情形,在適當簡化過濾器模型的基礎上,通過數(shù)值方法求解描述橢圓纖維繞流特征的Navier-Stokes方程,獲得橢圓纖維過濾阻力,并應用Lagrangian法求解粒子的慣性捕集效率;在過濾效率與阻力計算基礎上,采用纖維過濾質(zhì)量因子評價慣性粒子捕集條件下過濾性能最優(yōu)的橢圓纖維結構,以期為這類纖維過濾器優(yōu)化設計提供理論參考.
為簡化問題分析,考慮纖維濾料由相同截面面積的橢圓纖維均勻排列構成的過濾單元集合體,且纖維垂直于過濾風速方向;每個過濾單元內(nèi)含一根纖維,位于過濾單元中心,如圖1(a)所示.由顆粒釋放面上產(chǎn)生的粒子在流體曳力作用下輸送至纖維表面而被捕集,.繞纖維流場計算采用的邊界條件(BC)設置如下(見圖1(b)):計算域上下邊界為周期邊界,流域入口邊界設為速度入口,出口為壓力出口邊界.規(guī)定纖維長軸()與來流方向夾角為橢圓纖維迎風角().
在上述模型規(guī)定下,含塵氣體繞纖維流可簡化為二維情形.對通常的纖維過濾情形,濾料內(nèi)部流動為低雷諾數(shù)(Re<1)流動,故本文考慮的纖維繞流為二維不可壓粘性定常層流流動,其連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程形式可表示為[25]
式中:為流體速度矢量,m/s;為氣體動力學黏度, Pa×s;為空氣密度,kg/m3;為氣體壓強,Pa.對微米級直徑的纖維,其表面空氣分子的滑移效應可忽略[26],故纖維表面流體滿足無滑移邊界條件,即=0.
圖1 模擬模型與計算域
Fig.1 Simulation model and computational domain
采用Fluent-6.3程序在圖1(b)所示區(qū)域內(nèi)數(shù)值求解上述流體運動方程.在數(shù)值計算中,采用結構網(wǎng)格劃分計算空間域,為捕捉到纖維近壁區(qū)域精細的流場結構,對近壁區(qū)域作局部網(wǎng)格加密處理.經(jīng)網(wǎng)格獨立性驗證后,纖維附近最細網(wǎng)格為0.02~0.03mm,模擬區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為30~60萬.
為簡化粒子軌跡計算,先對粒子相作如下基本假設[27]:(1)考慮清潔纖維過濾情形,即不考慮已捕集顆粒對后續(xù)來流顆粒捕集的影響;(2)考慮粒子的慣性捕集機理,忽略粒子擴散作用、電場力和重力等其他外場力的作用,僅考慮流體對粒子的曳力作用; (3)一般情況下的過濾風速較低,粒子-纖維碰撞反彈作用很弱,故可忽略纖維表面粒子的反彈作用,認為粒子一旦接觸纖維表面即被捕集;(4)實際中纖維過濾器所處理的含塵氣體中粒子濃度較低,粒子相可視為稀薄相,即可忽略粒子間相互作用,僅考慮單個粒子的動力學行為,且進入計算區(qū)域粒子為具有相同物性參數(shù)的單分散球形粒子.
在上述假定下,根據(jù)牛頓第二定律,單個粒子運動的矢量方程表示為[28]
式中:p和p分別為粒子質(zhì)量和粒子直徑;為粒子的速度矢量;m為Cunningham滑移修正系數(shù), 用于修正粒子與空氣分子間的滑移作用[28].
粒子運動起始點置于圖1(a)所示的顆粒釋放面上,并設粒子的初始速度為粒子所在坐標點的流體速度,則方程(3)的定解條件為
式中:0和0為粒子運動的初始位置坐標; U,0和 U,0分別為流體在和方向的速度分量;V,0和V,0分別為粒子初始速度在和方向的速度分量,假定粒子初始速度與粒子中心坐標處的流體速度相等.對給定的粒子初始速度和初始位置,采用四階Runge-Kutta方法對式(4)數(shù)值積分,即可獲得粒子的運動軌跡.
經(jīng)典單纖維捕集效率定義為捕集的粒子數(shù)與通過遠離纖維中心迎風側纖維投影面粒子數(shù)的比值[26-27,29],這僅對于圓截面纖維是適用的.由于本文考慮的纖維為橢圓截面,故采用過濾單元捕集效率I作為纖維捕集能力的描述參量,即
式中:in為從過濾單元入口面進入流場的總粒子數(shù)(圖1(a));out為從過濾單元出口面逃逸的總粒子數(shù).
在圖1(b)所示過濾單元中,單位長度纖維過濾阻力可通過流域入口面與出口面的壓差D計算出[29],即
式中:和分別為橢圓形纖維長半軸長度和短半軸長度,m;L為過濾單元長度,m;f為纖維長度,m;根據(jù)圖1所示的纖維過濾模型和參數(shù)定義,纖維填充率可表示為:
式中:為過濾單元高度(圖1(b)),為討論方便,將單纖維過濾阻力改寫為無量綱形式[29]:
現(xiàn)利用上述分析給出的數(shù)值模型,討論橢圓纖維過濾阻力和慣性捕集效率特性.計算參數(shù)值列于表1中.
表1 數(shù)值計算中采用的主要物理參數(shù)
注:f=(f/p)1/2,f為橢圓纖維截面積.
為驗證本文纖維繞流場數(shù)值計算的可靠性,先將圓形截面纖維(=1)過濾阻力的計算結果與理論解進行比較(圖2(a)).
圖2(b)給出了2種纖維迎風角度下(=0°和=90°)橢圓截面纖維過濾阻力*計算值與基于格子Boltzmann數(shù)值計算結果的比較[24].結果表明,兩種數(shù)值方法給出的計算結果也十分吻合.故本文纖維繞流場數(shù)值計算結果的可靠性可以得到確認.
圖2 本文數(shù)值計算結果與其他研究結果的比較
Fig.2 Comparisons between the present numerical results and previous studies
圖3給出P=5μm和P=10μm 2種尺度粒子在3種迎風角(=0°、45°、90°)下的沉積分布物理圖像.計算參數(shù)為:∞=0.1m/s、=0.05、=4,p=5μm粒子的捕集數(shù)量為C=450,p=10μm粒子的捕集數(shù)量為C=800.圖左側中灰色線譜表示流線,黑線譜表示p=5μm粒子的軌跡.為清楚呈現(xiàn)粒子沉積分布特征,圖中纖維表面沉積粒子僅代表粒子沉積位置與數(shù)量,不反映粒子真實大小.
圖3 纖維表面粒子沉積分布可視化
可以看出,纖維迎風角度對粒子的沉積分布有顯著影響.當=0°時,2種尺度粒子的沉積位置主要集中在纖維前駐點附近,而在=90°時,粒子沉積在整個迎風面上,且分布相對均勻.
為了定量描述橢圓纖維表面粒子沉積分布特征,引入沉積分布律p,其定義為纖維表面某一捕集區(qū)間捕集粒子數(shù)C與纖維表面捕集粒子總數(shù)量T之比.為此,先將橢圓纖維迎風面(即粒子沉積面)劃分為10個等弧長區(qū)域(見圖4(a)中捕集區(qū)劃分示意圖),再根據(jù)捕集粒子的空間坐標信息,統(tǒng)計出每段弧長區(qū)域內(nèi)捕集粒子數(shù)C占總捕集粒子數(shù)T的比例,即
2種尺度粒子(p=5μm和p=10μm)在3種迎風角(=0°、45°、90°)下的沉積分布律計算結果表示在圖4中.由于粒子在釋放面上為隨機分布,為降低統(tǒng)計誤差,數(shù)值計算中將捕集粒子數(shù)增加為C=1000,其余計算參數(shù)同圖3.
圖4 不同迎風角度橢圓纖維表面顆粒沉積分布
圖4結果定量反映出迎風角度對橢圓纖維表面粒子沉積分布的顯著影響.如對于p=5μm粒子(圖4(a)),在=0°時,80%以上的捕集粒子落入橢圓纖維前駐點鄰近區(qū)域5和6, 遠高于圓截面纖維(約50%),這反映了粒子沉積空間分布的高度不均勻性;當=90°時,橢圓纖維仍為上下對稱分布,但纖維前駐點鄰近區(qū)域沉積的粒子數(shù)比例相比=0°時有了顯著降低,5和6區(qū)域內(nèi)沉積粒子數(shù)總比例不到30%,除在纖維上下頂點處(即1和10沉積區(qū)域)區(qū)域外,其余沉積區(qū)域內(nèi)捕集粒子數(shù)的比例基本相當(p= 10%~15%),這表明粒子沉積分布趨于均勻,這與圖3中粒子沉積分布物理圖像一致;當=45°時,由于纖維上下為非對稱結構,在纖維下側迎風面繞流流線曲率較大.由于粒子的慣性作用,粒子更容易在這些區(qū)域偏離流線而碰撞到纖維(見圖3粒子軌跡),因此可觀察到粒子幾乎沉積在軸下方側的迎風面上,且離前駐點區(qū)域越遠,捕集的粒子數(shù)越多.
當粒子直徑p=10μm時(見圖4(b)),3種迎風角度纖維(包括圓截面纖維)粒子的沉積分布規(guī)律與P=5μm時情形相似,但由于粒子尺度增大,其慣性作用增強,粒子追隨流體運動作用減弱,粒子沉積空間的不均勻性略有降低.
圖5給出了=0.01和=0.1 2種填充率下,不同迎風角橢圓纖維的過濾壓降Δ與過濾風速∞的關系曲線,計算參數(shù)為:∞=0.01~0.2m/s、=2.
圖5 迎風角度對橢圓纖維壓降影響
由圖5可知,在、∞和相同條件下,Δ隨增大而增大,且在高填充率(=0.1)下越為明顯;增大,3種迎風角Δ均隨之增大,如=0.01,∞=0.2m/s時(圖5(a)),當=0°時纖維過濾壓降約為Δ=0.3Pa,而當=0.1時(圖5(b)),在相同∞和下,纖維過濾壓降接近Δ=3Pa,有近一個數(shù)量級增加,這是由于增加導致纖維間距減小,纖維繞流速度增大,引起壓降上升.
迎風角對粒子慣性捕集效率I的影響表示在圖6中.計算參數(shù)為:p=1~10μm、=2、∞=0.1m/s.圖6結果表明, 橢圓纖維迎風角度增大對不同尺度粒子的慣性捕集效率的增益效應存在截然相反的效果,即存在一臨界粒徑h(圖中虛線所指粒徑,以下稱為“橢圓纖維增益臨界粒徑”),當p>h時,增大對慣性捕集效率有增益效應,如=0.01情形下(圖6(a)),P=10μm粒子被=0°橢圓纖維捕集的效率約為6%,而=90°時粒子的捕集效率增加至12%,約為前者的2倍;反之當p 此外,粒子的慣性捕集效率I隨粒徑p的變化存在一個臨界粒徑c,對于p 圖6 迎風角度對粒子慣性捕集效率影響 圖7給出了=0.05時不同下長短軸比對橢圓纖維壓降的影響,反映了橢圓纖維的扁平程度.當=0°時(圖7(a)),在相同風速∞下Δ隨增大而減小,而在=90°情形下(圖7(b)),Δ隨變化規(guī)律與=0°恰好相反,即隨著增大而增加,這是由于在相同纖維填充率和纖維截面積下,=90°纖維迎風面積顯著增大,繞流阻力也隨之增大;而在=0°時,迎風面面積隨增大反而減小,導致纖維繞流阻力減小. 橢圓纖維長短軸對粒子慣性捕集效率I的影響結果表示在圖8中,計算參數(shù)取值為:=0.05、∞=0.1m/s. 圖7 橢圓纖維長短軸對過濾壓降影響 Fig.7 Effects of aspect ratios on pressure drop of elliptical fibers 圖8 橢圓纖維長短軸比對粒子慣性捕集效率影響 Fig.8 Effects of aspect ratios on inertial collection efficiencyof elliptical fibers 比較=0°(圖8(a))和=90°(圖8(c))的粒子慣性捕集效率I曲線,可見2種下對粒子捕集效率影響截然相反.在=0°時,對粒徑p 回溯橢圓纖維過濾壓降與捕集效率特性規(guī)律可發(fā)現(xiàn),當通過改變橢圓纖維迎風角度和長短軸比及填充率取得較大捕集效率時,纖維的過濾壓降也隨之增大,因此纖維濾料生產(chǎn)工藝中選擇何種迎風角度以及長短軸比才能獲得最優(yōu)的過濾性能,則需綜合考慮過濾壓降和捕集效率兩方面因素.為了定量評價橢圓纖維的過濾性能優(yōu)劣,引入質(zhì)量因子概念,其定義為慣性捕集效率I與纖維無量綱過濾阻力*之比,即 據(jù)定義,質(zhì)量因子大小反映了同等過濾阻力(或是能耗)條件下,纖維所獲得的過濾效率值,值越大,則纖維綜合過濾性能越高.前文已指出,橢圓纖維對不同尺度粒子的捕集效率的增益效應存在較大差異性,故這里選取3種典型尺度粒子(小粒子p=2.5μm、中等尺度粒子p=5μm以及大粒子p=10μm)分別計算出9種橢圓纖維的值,計算結果見圖9 .本文將9種橢圓纖維進行編號(見圖9左側纖維編號規(guī)則).作為比較,圖中也給出了圓截面纖維值(圖中虛線所示). 圖9(a)和(b)給出的是=0.01下兩種風速(∞=0.01m/s和∞=0.2m/s)下橢圓纖維值的計算結果.在低風速(∞=0.01m/s)過濾條件下(9(a)),由于小粒子(p=2.5μm)的慣性很弱,9種橢圓纖維的慣性捕集效率均為零(圖9(a-1)),故質(zhì)量因子也為零;對于p=5μm粒子, #1纖維(=1.5、=0°)和#4纖維(=2、=0°)的值最高,但均接近圓截面纖維,未表現(xiàn)出顯著的過濾性能優(yōu)勢,#3纖維(=2、=90°)和#9纖維(=4、=90°)最低,這是由于=90°的橢圓纖維過濾阻力大的緣故. 圖9 3種粒徑下不同結構參數(shù)橢圓纖維的質(zhì)量因子比較 隨著粒徑進一步增大(p=10μm),粒子的慣性作用較強.據(jù)圖8結果,對高慣性粒子(即大粒子)捕集,若迎風面增加(和增大),其捕集效率將增大,故#8纖維(=4、=45°)和#9纖維(=4、=90°)因迎風面較大而具有較大的捕集效率.盡管此條件下纖維的過濾壓降仍最大(圖7),但因迎風面增大而獲得捕集效率增益效應更大,從而獲得了較高的質(zhì)量因子,且明顯高于圓截面纖維. 隨著過濾風速的增大(∞=0.2m/s,圖9(b-2)),粒子的慣性增強,可觀察到=0°和=45°纖維捕集小粒子(p=2.5μm)的質(zhì)量因子均大于零,其中#7纖維(=4、=0°)和#1 纖維(=2、=0°)質(zhì)量因子較高,具有最優(yōu)的過濾性能,而=90°的纖維質(zhì)量因子仍為零.對于中等和較大尺度粒子的過濾情形(p=5μm和p=10μm,見圖9(b-2)和圖9(b-3)),因粒子的慣性較強,纖維捕集面積參數(shù)對這類高慣性粒子捕集效率的增益效應起主要貢獻,故高迎風面積纖維(#8和#9)具有最高的質(zhì)量因子,且高于圓截面纖維;而具有最低迎風面積的#7纖維(=4、=0°)值最低,因此,在此過濾工況下應優(yōu)選#9和#8橢圓纖維. 高填充率(=0.1)下橢圓纖維質(zhì)量因子排序結果表示在圖9(c)-(d)中.據(jù)前面的分析結果(見圖5討論)可知,增大,相同尺度粒子的慣性捕集效應增強,但與此同時,過濾壓降亦隨之增大(見圖4結果),故在高種填充率過濾工況下,大迎風面積纖維#9(=4、=90°)因過濾壓降顯著增大,故對三種尺度粒子的綜合過濾性能(即質(zhì)量因子)均最低;而在低填充率(=0.01) (圖9(a)-(b))下,#9纖維對中等以上尺度粒子具有最優(yōu)的過濾性能.對低風速下的小粒子(p=2.5μm)過濾(見圖9(c-1)),#7纖維仍表現(xiàn)出最優(yōu)的過濾性能,且遠優(yōu)于圓截面纖維;而對于低風速下中等尺度粒子(p=5μm)(圖9c-2)和高風速下的小粒子 (圖9d-1),#2、#3和#5纖維具有較好的過濾性能,但與傳統(tǒng)的圓截面纖維過濾性能相當;對于大粒子(P=10μm) (圖9c-3和圖9d-3)和高風速下的中等尺度粒子(圖9d-2), #2、#5和#8橢圓纖維(均為=45°),過濾性能略高于圓截面纖維. 3.1 橢圓纖維迎風角度及長短軸比對慣性粒子沉積分布均有顯著影響.當=0°時,捕集粒子主要分布在橢圓纖維前駐點鄰近區(qū)域;=90°時,纖維迎風面粒子有效沉積區(qū)域有明顯擴大且相對均勻;而在=45°時,粒子趨于在纖維迎風面最前端處沉積. 3.2 低雷諾數(shù)(Re<1)過濾情形下,橢圓纖維壓降隨過濾風速仍滿足線性增加關系.且與迎風角度及長短軸比均顯著相關.大迎風角度和高長短軸比的橢圓纖維對于強慣性粒子捕集效率增益效果明顯;而對弱慣性粒子捕集,小迎風角度和高長短軸比的橢圓纖維增益效果明顯. 3.3 對于中高慣性粒子過濾,扁長型橢圓纖維(即為較大長短軸比)在迎風角度約為=45°時,質(zhì)量因子總體較高,具有較優(yōu)的綜合過濾性能;而對弱慣性粒子,則扁長型橢圓纖維在迎風角度=0°時表現(xiàn)出較好的過濾性能. 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Numerical analysis of filtration pressure drop and inertial collection efficiency for elliptical fibers. ZHU Hui1,2, YANG Hui1, FU Hai-ming1*, KANG Yan-ming1 (1.School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China;2.School of Energy and Building Environment, Guilin University of Aerospace Technology, Guilin 541004, China)., 2019,39(2):565~573 A numerical scheme was developed for calculating the inertial collection efficiencies of particles by elliptical fibers and filtration pressure drop. The viscous flow fields for single elliptical fiber were determined by solving the Navier-Stokes equation numerically, and the effects of the following parameters, such as orientation angle (), cross-section aspect ratio () and packing density () on the filtering performance were discussed. The results showed that the filtration pressure drop for elliptical fibers increased with the increasing aspect ratio for large orientation angle but decreased for small orientation angle. With the same cross-section aspect ratio, the filtration pressure drop increased with the increasing orientation angle. The efficiency of elliptical fibers with larger orientation angle and cross-section aspect ratio was higher than that of circular fibers for intermediate and high-inertia particles, whereas for low-inertia particles, the elliptical fibers with small orientation angle showed higher collection efficiency. The quality factor, an indicator of the ratio of the collection efficiency to the pressure drop, was used to evaluate the comprehensive performance of the elliptical fibers. It was found that the elliptical fibers with large aspect ratios (i.e., long and slim elliptical fibers) showed higher the quality factor (i.e., better comprehensive filtration performance) in capturing intermediate and high-inertia particles when the orientation angle was about=45°. For low-inertia particles, the elliptical fibers with major axis parallel to the incoming flow might have filtration performance advantages. aerosol filtration;elliptical fibers;filtration drag;inertial collection efficiency;numerical calculation X701.2;TQ021;TU834 A 1000-6923(2019)02-0565-09 朱 輝(1979–),男,湖南衡陽人,副教授,東華大學博士研究生,主要從事氣溶膠動力學與室內(nèi)空氣品質(zhì)研究.發(fā)表論文27篇. 2018-07-16 國家自然科學基金資助項目(51178094);廣西自然科學基金資助項目(2017GXNSFAA198184) * 責任作者, 教授, fhm@dhu.edu.cn2.4 長短軸之比ε對橢圓纖維過濾性能影響
2.5 橢圓纖維質(zhì)量因子比較
3 結論