椭圆纤维过滤压降与惯性捕集效率数值分析
2019-02-27付海明亢燕铭
朱 辉,杨 会,付海明*,亢燕铭
椭圆纤维过滤压降与惯性捕集效率数值分析
朱 辉1,2,杨 会1,付海明1*,亢燕铭1
(1.东华大学环境科学与工程学院,上海 201620；2.桂林航天工业学院能源与建筑环境学院,广西 桂林 541004)
采用数值方法求解了描述椭圆截面纤维绕流特征的Navier-Stokes方程,并计算了椭圆纤维对粒子惯性捕集效率及纤维过滤压降.分析讨论了椭圆纤维迎风角度、长短轴比和填充率等参数对惯性粒子过滤性能的影响.结果表明,在大迎风角度时,过滤压降随长短轴比增大而增大,而在小迎风角度下,过滤压降则随长短轴比增大而减小;在相同纤维长短轴比条件下,过滤压降均随迎风角增大而增加.粒子惯性捕集效率计算结果则表明,对于中高惯性粒子捕集,大迎风角度和高长短轴比的椭圆纤维的捕集效率高于圆截面纤维,而对弱惯性粒子,小迎风角度和高长短轴比的椭圆纤维则表现出较高的捕集效率.在椭圆纤维过滤压降和捕集效率计算基础上,采用纤维过滤质量因子(定义为捕集效率比过滤阻力)评价综合过滤性能.结果表明,对于中高惯性粒子过滤,扁长型椭圆纤维(即为高长短轴比)在迎风角约为=45°时质量因子总体较高,即具有较优的综合过滤性能;而对弱惯性粒子,则扁长型椭圆纤维长轴平行来流方向(=0°)时,总体过滤性能较优.
气溶胶过滤；椭圆纤维；过滤阻力；惯性捕集效率；数值计算
随着城市化和工业化的快速发展,大气颗粒物已成为许多城市环境空气中的首要污染物,已对城市环境和人体健康构成严重威胁[1-4].基于纤维过滤原理的微粒捕集系统是目前最为有效的颗粒清除技术方案之一,广泛应用于工业除尘、洁净室空气净化以及建筑通风空调等领域. 描述纤维过滤性能的主要指标为过滤效率、阻力以及容尘量(即使用寿命),开发出满足环境控制要求的高效率、低阻力以及使用寿命长的纤维滤材已成为大气环境和建筑环境领域的重要研究课题[5-8].
基于对纤维过滤中粒子捕集动力学机理和阻力形成机制的认识,已提出了诸多提高纤维过滤性能的优化方案[9-11].近年来随着纤维制造工艺技术的革新,由非圆截面纤维体(如三角形、方形、矩形、椭圆形、花瓣形等)构成的新型纤维滤料已逐渐应用于工程实践[12-13].有研究指出[14-15],相比其他截面形状的纤维(如方形、圆形、三叶形)椭圆形截面纤维的绕流流线型更好,过滤阻力更低,具有更优的过滤性能.为从过滤机理上揭示出椭圆纤维过滤性能的增益效应,已有研究者采用理论和数值计算讨论了椭圆纤维过滤阻力和粒子捕集动力学特性[16-24],认为椭圆纤维过滤性能的增益效果取决于粒子尺度、纤维椭圆形截面长短轴比、迎风角度(纤维截面长轴与来流风速的夹角)以及过滤风速等诸多因素.然而,上述研究多从粒子捕集效率角度探讨椭圆纤维的过滤性能,忽视了椭圆纤维在与传统圆截面纤维相同截面积条件下具有更大表面积,由此导致过滤阻力的增大和与之相关的过滤系统运行能耗的增加.因此,以效率为单一评价指标的椭圆纤维结构优化设计方案可能会给出错误的优选结果,故需综合考虑过滤效率和阻力两方面因素方能寻求到最佳过滤性能的椭圆纤维几何结构.
本文针对惯性捕集机理主导的过滤情形,在适当简化过滤器模型的基础上,通过数值方法求解描述椭圆纤维绕流特征的Navier-Stokes方程,获得椭圆纤维过滤阻力,并应用Lagrangian法求解粒子的惯性捕集效率;在过滤效率与阻力计算基础上,采用纤维过滤质量因子评价惯性粒子捕集条件下过滤性能最优的椭圆纤维结构,以期为这类纤维过滤器优化设计提供理论参考.
1 物理模型
1.1 流场模型
为简化问题分析,考虑纤维滤料由相同截面面积的椭圆纤维均匀排列构成的过滤单元集合体,且纤维垂直于过滤风速方向;每个过滤单元内含一根纤维,位于过滤单元中心,如图1(a)所示.由颗粒释放面上产生的粒子在流体曳力作用下输送至纤维表面而被捕集,.绕纤维流场计算采用的边界条件(BC)设置如下(见图1(b)):计算域上下边界为周期边界,流域入口边界设为速度入口,出口为压力出口边界.规定纤维长轴()与来流方向夹角为椭圆纤维迎风角().
在上述模型规定下,含尘气体绕纤维流可简化为二维情形.对通常的纤维过滤情形,滤料内部流动为低雷诺数(Re<1)流动,故本文考虑的纤维绕流为二维不可压粘性定常层流流动,其连续性方程和Navier-Stokes方程形式可表示为[25]
式中:为流体速度矢量,m/s;为气体动力学黏度, Pa×s;为空气密度,kg/m3;为气体压强,Pa.对微米级直径的纤维,其表面空气分子的滑移效应可忽略[26],故纤维表面流体满足无滑移边界条件,即=0.
图1 模拟模型与计算域
Fig.1 Simulation model and computational domain
采用Fluent-6.3程序在图1(b)所示区域内数值求解上述流体运动方程.在数值计算中,采用结构网格划分计算空间域,为捕捉到纤维近壁区域精细的流场结构,对近壁区域作局部网格加密处理.经网格独立性验证后,纤维附近最细网格为0.02~0.03mm,模拟区域网格总数为30~60万.
1.2 粒子运动轨迹方程
为简化粒子轨迹计算,先对粒子相作如下基本假设[27]:(1)考虑清洁纤维过滤情形,即不考虑已捕集颗粒对后续来流颗粒捕集的影响;(2)考虑粒子的惯性捕集机理,忽略粒子扩散作用、电场力和重力等其他外场力的作用,仅考虑流体对粒子的曳力作用; (3)一般情况下的过滤风速较低,粒子-纤维碰撞反弹作用很弱,故可忽略纤维表面粒子的反弹作用,认为粒子一旦接触纤维表面即被捕集;(4)实际中纤维过滤器所处理的含尘气体中粒子浓度较低,粒子相可视为稀薄相,即可忽略粒子间相互作用,仅考虑单个粒子的动力学行为,且进入计算区域粒子为具有相同物性参数的单分散球形粒子.
在上述假定下,根据牛顿第二定律,单个粒子运动的矢量方程表示为[28]
式中:p和p分别为粒子质量和粒子直径;为粒子的速度矢量;m为Cunningham滑移修正系数, 用于修正粒子与空气分子间的滑移作用[28].
粒子运动起始点置于图1(a)所示的颗粒释放面上,并设粒子的初始速度为粒子所在坐标点的流体速度,则方程(3)的定解条件为
式中:0和0为粒子运动的初始位置坐标; U,0和 U,0分别为流体在和方向的速度分量;V,0和V,0分别为粒子初始速度在和方向的速度分量,假定粒子初始速度与粒子中心坐标处的流体速度相等.对给定的粒子初始速度和初始位置,采用四阶Runge-Kutta方法对式(4)数值积分,即可获得粒子的运动轨迹.
1.3 粒子惯性捕集效率计算方法
经典单纤维捕集效率定义为捕集的粒子数与通过远离纤维中心迎风侧纤维投影面粒子数的比值[26-27,29],这仅对于圆截面纤维是适用的.由于本文考虑的纤维为椭圆截面,故采用过滤单元捕集效率I作为纤维捕集能力的描述参量,即
式中:in为从过滤单元入口面进入流场的总粒子数(图1(a));out为从过滤单元出口面逃逸的总粒子数.
1.4 单纤维过滤阻力计算方法
在图1(b)所示过滤单元中,单位长度纤维过滤阻力可通过流域入口面与出口面的压差D计算出[29],即
式中:和分别为椭圆形纤维长半轴长度和短半轴长度,m;L为过滤单元长度,m;f为纤维长度,m;根据图1所示的纤维过滤模型和参数定义,纤维填充率可表示为:
式中:为过滤单元高度(图1(b)),为讨论方便,将单纤维过滤阻力改写为无量纲形式[29]:
2 结果与讨论
现利用上述分析给出的数值模型,讨论椭圆纤维过滤阻力和惯性捕集效率特性.计算参数值列于表1中.
表1 数值计算中采用的主要物理参数
注:f=(f/p)1/2,f为椭圆纤维截面积.
2.1 模型可靠性验证
为验证本文纤维绕流场数值计算的可靠性,先将圆形截面纤维(=1)过滤阻力的计算结果与理论解进行比较(图2(a)).
图2(b)给出了2种纤维迎风角度下(=0°和=90°)椭圆截面纤维过滤阻力*计算值与基于格子Boltzmann数值计算结果的比较[24].结果表明,两种数值方法给出的计算结果也十分吻合.故本文纤维绕流场数值计算结果的可靠性可以得到确认.
图2 本文数值计算结果与其他研究结果的比较
Fig.2 Comparisons between the present numerical results and previous studies
2.2 椭圆纤维表面粒子沉积分布
图3给出P=5μm和P=10μm 2种尺度粒子在3种迎风角(=0°、45°、90°)下的沉积分布物理图像.计算参数为:∞=0.1m/s、=0.05、=4,p=5μm粒子的捕集数量为C=450,p=10μm粒子的捕集数量为C=800.图左侧中灰色线谱表示流线,黑线谱表示p=5μm粒子的轨迹.为清楚呈现粒子沉积分布特征,图中纤维表面沉积粒子仅代表粒子沉积位置与数量,不反映粒子真实大小.
图3 纤维表面粒子沉积分布可视化
可以看出,纤维迎风角度对粒子的沉积分布有显著影响.当=0°时,2种尺度粒子的沉积位置主要集中在纤维前驻点附近,而在=90°时,粒子沉积在整个迎风面上,且分布相对均匀.
为了定量描述椭圆纤维表面粒子沉积分布特征,引入沉积分布律p,其定义为纤维表面某一捕集区间捕集粒子数C与纤维表面捕集粒子总数量T之比.为此,先将椭圆纤维迎风面(即粒子沉积面)划分为10个等弧长区域(见图4(a)中捕集区划分示意图),再根据捕集粒子的空间坐标信息,统计出每段弧长区域内捕集粒子数C占总捕集粒子数T的比例,即
2种尺度粒子(p=5μm和p=10μm)在3种迎风角(=0°、45°、90°)下的沉积分布律计算结果表示在图4中.由于粒子在释放面上为随机分布,为降低统计误差,数值计算中将捕集粒子数增加为C=1000,其余计算参数同图3.
图4 不同迎风角度椭圆纤维表面颗粒沉积分布
图4结果定量反映出迎风角度对椭圆纤维表面粒子沉积分布的显著影响.如对于p=5μm粒子(图4(a)),在=0°时,80%以上的捕集粒子落入椭圆纤维前驻点邻近区域5和6, 远高于圆截面纤维(约50%),这反映了粒子沉积空间分布的高度不均匀性;当=90°时,椭圆纤维仍为上下对称分布,但纤维前驻点邻近区域沉积的粒子数比例相比=0°时有了显著降低,5和6区域内沉积粒子数总比例不到30%,除在纤维上下顶点处(即1和10沉积区域)区域外,其余沉积区域内捕集粒子数的比例基本相当(p= 10%~15%),这表明粒子沉积分布趋于均匀,这与图3中粒子沉积分布物理图像一致;当=45°时,由于纤维上下为非对称结构,在纤维下侧迎风面绕流流线曲率较大.由于粒子的惯性作用,粒子更容易在这些区域偏离流线而碰撞到纤维(见图3粒子轨迹),因此可观察到粒子几乎沉积在轴下方侧的迎风面上,且离前驻点区域越远,捕集的粒子数越多.
当粒子直径p=10μm时(见图4(b)),3种迎风角度纤维(包括圆截面纤维)粒子的沉积分布规律与P=5μm时情形相似,但由于粒子尺度增大,其惯性作用增强,粒子追随流体运动作用减弱,粒子沉积空间的不均匀性略有降低.
2.3 迎风角θ对椭圆纤维过滤性能影响
图5给出了=0.01和=0.1 2种填充率下,不同迎风角椭圆纤维的过滤压降Δ与过滤风速∞的关系曲线,计算参数为:∞=0.01~0.2m/s、=2.
图5 迎风角度对椭圆纤维压降影响
由图5可知,在、∞和相同条件下,Δ随增大而增大,且在高填充率(=0.1)下越为明显;增大,3种迎风角Δ均随之增大,如=0.01,∞=0.2m/s时(图5(a)),当=0°时纤维过滤压降约为Δ=0.3Pa,而当=0.1时(图5(b)),在相同∞和下,纤维过滤压降接近Δ=3Pa,有近一个数量级增加,这是由于增加导致纤维间距减小,纤维绕流速度增大,引起压降上升.
迎风角对粒子惯性捕集效率I的影响表示在图6中.计算参数为:p=1~10μm、=2、∞=0.1m/s.图6结果表明, 椭圆纤维迎风角度增大对不同尺度粒子的惯性捕集效率的增益效应存在截然相反的效果,即存在一临界粒径h(图中虚线所指粒径,以下称为“椭圆纤维增益临界粒径”),当p>h时,增大对惯性捕集效率有增益效应,如=0.01情形下(图6(a)),P=10μm粒子被=0°椭圆纤维捕集的效率约为6%,而=90°时粒子的捕集效率增加至12%,约为前者的2倍;反之当p 此外,粒子的惯性捕集效率I随粒径p的变化存在一个临界粒径c,对于p 图6 迎风角度对粒子惯性捕集效率影响 图7给出了=0.05时不同下长短轴比对椭圆纤维压降的影响,反映了椭圆纤维的扁平程度.当=0°时(图7(a)),在相同风速∞下Δ随增大而减小,而在=90°情形下(图7(b)),Δ随变化规律与=0°恰好相反,即随着增大而增加,这是由于在相同纤维填充率和纤维截面积下,=90°纤维迎风面积显著增大,绕流阻力也随之增大;而在=0°时,迎风面面积随增大反而减小,导致纤维绕流阻力减小. 椭圆纤维长短轴对粒子惯性捕集效率I的影响结果表示在图8中,计算参数取值为:=0.05、∞=0.1m/s. 图7 椭圆纤维长短轴对过滤压降影响 Fig.7 Effects of aspect ratios on pressure drop of elliptical fibers 图8 椭圆纤维长短轴比对粒子惯性捕集效率影响 Fig.8 Effects of aspect ratios on inertial collection efficiencyof elliptical fibers 比较=0°(图8(a))和=90°(图8(c))的粒子惯性捕集效率I曲线,可见2种下对粒子捕集效率影响截然相反.在=0°时,对粒径p 回溯椭圆纤维过滤压降与捕集效率特性规律可发现,当通过改变椭圆纤维迎风角度和长短轴比及填充率取得较大捕集效率时,纤维的过滤压降也随之增大,因此纤维滤料生产工艺中选择何种迎风角度以及长短轴比才能获得最优的过滤性能,则需综合考虑过滤压降和捕集效率两方面因素.为了定量评价椭圆纤维的过滤性能优劣,引入质量因子概念,其定义为惯性捕集效率I与纤维无量纲过滤阻力*之比,即 据定义,质量因子大小反映了同等过滤阻力(或是能耗)条件下,纤维所获得的过滤效率值,值越大,则纤维综合过滤性能越高.前文已指出,椭圆纤维对不同尺度粒子的捕集效率的增益效应存在较大差异性,故这里选取3种典型尺度粒子(小粒子p=2.5μm、中等尺度粒子p=5μm以及大粒子p=10μm)分别计算出9种椭圆纤维的值,计算结果见图9 .本文将9种椭圆纤维进行编号(见图9左侧纤维编号规则).作为比较,图中也给出了圆截面纤维值(图中虚线所示). 图9(a)和(b)给出的是=0.01下两种风速(∞=0.01m/s和∞=0.2m/s)下椭圆纤维值的计算结果.在低风速(∞=0.01m/s)过滤条件下(9(a)),由于小粒子(p=2.5μm)的惯性很弱,9种椭圆纤维的惯性捕集效率均为零(图9(a-1)),故质量因子也为零;对于p=5μm粒子, #1纤维(=1.5、=0°)和#4纤维(=2、=0°)的值最高,但均接近圆截面纤维,未表现出显著的过滤性能优势,#3纤维(=2、=90°)和#9纤维(=4、=90°)最低,这是由于=90°的椭圆纤维过滤阻力大的缘故. 图9 3种粒径下不同结构参数椭圆纤维的质量因子比较 随着粒径进一步增大(p=10μm),粒子的惯性作用较强.据图8结果,对高惯性粒子(即大粒子)捕集,若迎风面增加(和增大),其捕集效率将增大,故#8纤维(=4、=45°)和#9纤维(=4、=90°)因迎风面较大而具有较大的捕集效率.尽管此条件下纤维的过滤压降仍最大(图7),但因迎风面增大而获得捕集效率增益效应更大,从而获得了较高的质量因子,且明显高于圆截面纤维. 随着过滤风速的增大(∞=0.2m/s,图9(b-2)),粒子的惯性增强,可观察到=0°和=45°纤维捕集小粒子(p=2.5μm)的质量因子均大于零,其中#7纤维(=4、=0°)和#1 纤维(=2、=0°)质量因子较高,具有最优的过滤性能,而=90°的纤维质量因子仍为零.对于中等和较大尺度粒子的过滤情形(p=5μm和p=10μm,见图9(b-2)和图9(b-3)),因粒子的惯性较强,纤维捕集面积参数对这类高惯性粒子捕集效率的增益效应起主要贡献,故高迎风面积纤维(#8和#9)具有最高的质量因子,且高于圆截面纤维;而具有最低迎风面积的#7纤维(=4、=0°)值最低,因此,在此过滤工况下应优选#9和#8椭圆纤维. 高填充率(=0.1)下椭圆纤维质量因子排序结果表示在图9(c)-(d)中.据前面的分析结果(见图5讨论)可知,增大,相同尺度粒子的惯性捕集效应增强,但与此同时,过滤压降亦随之增大(见图4结果),故在高种填充率过滤工况下,大迎风面积纤维#9(=4、=90°)因过滤压降显著增大,故对三种尺度粒子的综合过滤性能(即质量因子)均最低;而在低填充率(=0.01) (图9(a)-(b))下,#9纤维对中等以上尺度粒子具有最优的过滤性能.对低风速下的小粒子(p=2.5μm)过滤(见图9(c-1)),#7纤维仍表现出最优的过滤性能,且远优于圆截面纤维;而对于低风速下中等尺度粒子(p=5μm)(图9c-2)和高风速下的小粒子 (图9d-1),#2、#3和#5纤维具有较好的过滤性能,但与传统的圆截面纤维过滤性能相当;对于大粒子(P=10μm) (图9c-3和图9d-3)和高风速下的中等尺度粒子(图9d-2), #2、#5和#8椭圆纤维(均为=45°),过滤性能略高于圆截面纤维. 3.1 椭圆纤维迎风角度及长短轴比对惯性粒子沉积分布均有显著影响.当=0°时,捕集粒子主要分布在椭圆纤维前驻点邻近区域;=90°时,纤维迎风面粒子有效沉积区域有明显扩大且相对均匀;而在=45°时,粒子趋于在纤维迎风面最前端处沉积. 3.2 低雷诺数(Re<1)过滤情形下,椭圆纤维压降随过滤风速仍满足线性增加关系.且与迎风角度及长短轴比均显著相关.大迎风角度和高长短轴比的椭圆纤维对于强惯性粒子捕集效率增益效果明显;而对弱惯性粒子捕集,小迎风角度和高长短轴比的椭圆纤维增益效果明显. 3.3 对于中高惯性粒子过滤,扁长型椭圆纤维(即为较大长短轴比)在迎风角度约为=45°时,质量因子总体较高,具有较优的综合过滤性能;而对弱惯性粒子,则扁长型椭圆纤维在迎风角度=0°时表现出较好的过滤性能. [1] 高 健,张岳翀,柴发合,等.北京2011年10月连续重污染过程气团光化学性质研究 [J]. 中国环境科学, 2013,33(9):1539−1545.Gao Jian, Zhang Yuechong, Chai Fahe, et al. Photo chemical property and source of particles during continuous episodes in October 2011 in Beijing [J]. China Environmental Science, 2013,33(9):1539−1545. [2] 邵龙义,杨书申,赵厚银,等.室内可吸入颗粒物理化特征及毒理学研究 [M]. 北京:气象出版社, 2012:130−160.Shao Longyi, Yang Shushen, Zhao Houyin, et al. Physicochemistry and toxicology of indoor airborne inhalable particles [M]. Beijing: China Meteorological Press, 2012:130−160. [3] 谭成好,赵天良,崔春光,等.近50年华中地区霾污染的特征 [J]. 中国环境科学, 2015,35(8):2272−2280.TAN Chenghao, ZHANG Tianliang, CUI Chunguang, et al. Characterization of haze pollution over Central China during the past 50years [J]. China Environmental Science, 2015,35(8):2272−2280. [4] Wang H, He Q, Chen Y, et al. Characterization of black carbon concentrations of haze with different intensities in Shanghai by a three-year field measurement [J]. Atmospheric Environment, 2014,99: 536−545. [5] Hänninen O O, Palonen J, Tuomisto J T, et al. Reduction potential of urban PM2.5mortality risk using modern ventilation systems in buildings [J]. Indoor Air, 2005,15(4):246−256. [6] Yu B F, Hu Z B, Liu M, et al. Review of research on air-conditioning systems and indoor air quality control for human health [J]. International Journal of Refrigeration, 2009,32(1):3−20. [7] Fisk W J, Chan W R. Effectiveness and cost of reducing particle‐related mortality with particle filtration [J]. Indoor Air, 2017,27(5): 909−920. [8] Liu G, Xiao M, Zhang X, et al. A review of air filtration technologies for sustainable and healthy building ventilation [J]. Sustainable Cities and Society, 2017,32:375−396. [9] Li W, Shen S, Li H. Study and optimization of the filtration performance of multi–fiber filter [J]. Advanced Powder Technology, 2016,2(27):638−645. [10] Yun K M, Suryamas A B, Iskandar F, et al. Morphology optimization of polymer nanofiber for applications in aerosol particle filtration [J]. Separation and Purification Technology, 2010,75(3):340−345. [11] 丁 彬,俞建勇.静电纺丝与纳米纤维 [M]. 北京:中国纺织出版社, 2011:123−142. Ding bin, Yu Jianyong. Electrospinning and nanofibers [M]. Beijing: China Textile Press, 2011:123−142. [12] Sanchez J R, Rodriguez J M, Alvaro A, et al. The capture of fly ash particles using circular and noncircular cross‐section fabric filters [J]. Environmental Progress & Sustainable Energy, 2007,26(1):50−58. [13] Inagaki M, Sakai K, Namiki N, et al. Influence of fiber cross-sectional shape on filter collection performance [J]. Kagaku Kogaku Ronbunshu, 2001,27(1):113−120. [14] 顾丛汇,吕士武,李 瑞,等.纤维对PM2.5过滤性能的影响[J]. 化工学报, 2014,65(6):2137−2147. Gu Conghui, Lü Shiwu, Li Rui, et al. Influence of fiber on filtration performance for PM2.5[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2014,65(6):2137−2147. [15] Das D, Ishtiaque S M, Das S. Influence of fibre cross-sectional shape on air permeability of nonwovens [J]. Fibers and Polymers, 2015, 16(1):79−85. [16] Hosseini S A, Tafreshi H V. On the importance of fibers' cross-sectional shape for air filters operating in the slip flow regime [J]. Powder Technology, 2011,212(3):425−431. [17] Raynor P C. Single-fiber interception efficiency for elliptical fibers [J]. Aerosol Science and Technology, 2008,42(5):357−368. [18] Regan B D, Raynor P C. Single-fiber diffusion efficiency for elliptical fibers [J]. Aerosol Science and Technology, 2009,43(6):533−543. [19] Wang K, Zhao H. The influence of fiber geometry and orientation angle on filtration Performance [J]. Aerosol Science and Technology, 2015,49(2):75−85. [20] Wang W, Xie M, Wang L. An exact solution of interception efficiency over an elliptical fiber collector [J]. Aerosol Science and Technology, 2012,46(8):843−851. [21] Lin K C, Patel R, Tsai J S. Filtration of aerosol particles by clean elliptical fibers with relevance to pore size: A lattice Boltzmann- cellular automaton model [J]. Computers & Fluids, 2017,156(12): 534−544. [22] Jin X, Yang L, Du X, et al. Modeling filtration Performance of elliptical fibers with random distributions [J]. Advanced Powder Technology, 2017,28(4):1193−1201. [23] Wang J, Pui D Y H. Filtration of aerosol Particles by elliptical fibers: a numerical study [J]. Journal of Nanoparticle Research, 2009,11(1): 185−196. [24] Wang H, Zhao H, Wang K, et al. Simulating and modeling Particulate removal Processes by elliptical fibers [J]. Aerosol Science and Technology, 2014,48(2):207−218. [25] 陈懋章.粘性流体力学基础[M]. 北京:高等教育出版社, 2004: 111−112. CHEN Maozhang. Fundamentals of viscous fluid dynamics [M]. Beijing: Higher Education Press, 2004:111−112. [26] Lee K W, Liu B Y H. Theoretical study of aerosol filtration by fibrous filters [J]. Aerosol Science and Technology, 1982,1(2):147−161. [27] 朱 辉,付海明,亢燕铭.单纤维过滤阻力与惯性捕集效率数值分析 [J]. 中国环境科学, 2017,37(4):1298–1306.ZHU Hui, FU Haiming KANG Yanming. Numerical Calculation and Analyses of pressure drop of a single fiber under dust-loaded conditions [J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2012,63(12): 3927−3936. [28] Hinds W C. Aerosol technology: Properties, behavior, and measurement of airborne particles [M]. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2012:42–44. [29] Brown R C. Air filtration: an integrated approach to the theory and applications of fibrous filters [M]. New York: Pergamon Press, 1993: 32−34. [30] Kuwabara S. The forces experienced by randomly distributed parallel circular cylinders or spheres in a viscous flow at small Reynolds numbers [J]. Journal of the Physical Society of Japan, 1959,14(4): 527−532. [31] Peter C R. Flow field and drag for elliptical filter fibers [J]. Aerosol Science and Technology, 2002,36(12):1118–1127. 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 辉(1979–),男,湖南衡阳人,副教授,东华大学博士研究生,主要从事气溶胶动力学与室内空气品质研究.发表论文27篇. 2018-07-16 国家自然科学基金资助项目(51178094);广西自然科学基金资助项目(2017GXNSFAA198184) * 责任作者, 教授, fhm@dhu.edu.cn
2.4 长短轴之比ε对椭圆纤维过滤性能影响
2.5 椭圆纤维质量因子比较
3 结论
