【摘要】：大氣污染日益嚴重,飄逸在大氣中的細顆粒物對自然環(huán)境、公眾健康有重要的危害。因此,減少空氣中細顆粒的含量對于保護人體健康和自然環(huán)境顯得格外重要。作為去除細顆粒物的有效工具,研究顆粒物在纖維過濾介質(zhì)纖維體上的沉積特性對其過濾性能的影響至關重要。作為一種重要的研究手段,數(shù)值模擬已越來越多地應用在該領域。因此,開展細顆粒物在纖維體上沉積的數(shù)值模擬方法研究對于優(yōu)化過濾介質(zhì)結(jié)構、改善大氣環(huán)境及節(jié)能減排具有重要理論研究價值和實際意義。本文首先采用ANSYS-Fluent中離散相模型(Discrete Phase Model)對單纖維過濾介質(zhì)中的氣-固兩相流進行數(shù)值研究,基于用戶自定義函數(shù)(User Defined Function)考慮范德華力對顆粒捕集的作用,結(jié)合Matlab實現(xiàn)了粘性顆粒在單纖維體上沉積型態(tài)的可視化仿真,分析了不同運行參數(shù)及顆粒物屬性參數(shù)對顆粒沉積特性的影響。然后利用離散單元法(Discrete Element Method)與計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics)耦合的方法模擬研究了不同顆粒與纖維體間的碰撞恢復系數(shù)以及不同過濾風速下粘性顆粒在單纖維體上的碰撞、團聚等動態(tài)沉積特性。最后,基于EDEM軟件的API接口加載曳力模型,對粘性顆粒在纖維體上的沉積進行散體力學動態(tài)模擬,并將計算結(jié)果與CFD-DPM和CFD DEM耦合的結(jié)果進行比較,以實現(xiàn)數(shù)值模擬方法的優(yōu)化。研究結(jié)果表明:(1)利用CFD-DPM的方法,基于Fluent UDF接口可以實現(xiàn)范德華力的作用,能夠較精確地模擬粘性顆粒在纖維體上沉積過程和顆粒運動軌跡,而且通過Fluent與Matlab的數(shù)據(jù)對接,實現(xiàn)了顆粒運動的可視化仿真。通過該方法對細顆粒在纖維體上沉積的模擬結(jié)果表明,對于布朗效應起主導作用的小粒徑(Rp≤1μm),一味的提高過濾風速并不能帶來過濾效率的提升;對于慣性碰撞效應起主導作用的大粒徑(2μm≤Rp≤4μm),過濾效率隨過濾風速的增大而顯著增大;該方法對計算機的配置要求不高,模擬計算時間也短(2h-4h),但粘性顆粒在纖維體上的沉積形態(tài)并不直觀。(2)通過CFD-DEM的耦合算法對粘性顆粒在纖維體上沉積進行模擬,實現(xiàn)了顆粒在纖維體上沉積形態(tài)的直觀可視化,但模擬工況的計算時間長(12h-24h)。對于不同顆粒與纖維體間的碰撞恢復系數(shù),粘性顆粒的捕集數(shù)量隨顆粒與纖維體間的碰撞恢復系數(shù)呈先增加后減少,然后達到平穩(wěn)狀態(tài)的趨勢。對于本文所研究的顆粒及纖維體,在利用CFD-DEM進行耦合計算時,纖維體與顆粒間的碰撞恢復系數(shù)設為0.3是合理的。不同的過濾風速下粘性顆粒的捕集數(shù)量與顆粒的粒徑大小有關。粘性顆粒的粒徑小于2μm時,粘性顆粒易隨氣流在纖維體表面做繞流運動而未被纖維體捕集,沉積在纖維體上的粘性顆粒極少,而當粘性顆粒的粒徑大于2μm時,粘性顆粒被纖維體捕集的數(shù)量明顯增加,隨著過濾風速的增加,沉積在纖維體上的粘性顆粒有所減少。在對粘性顆粒進行氣-固兩相流模擬時,過濾風速選擇0.1m/s時的過濾效果最好。(3)利用EDEM軟件的API接口加載曳力模型,對粘性顆粒在纖維體上沉積進行散體力學動態(tài)模擬,并將DEM計算結(jié)果與CFD-DPM和CFD DEM耦合的結(jié)果進行比較,表明DEM可以精確描述粘性顆粒物在纖維體上沉積特性,同時對計算機配置的要求也低,模擬計算時間(30min-60min)相比于傳統(tǒng)的CFD模擬計算時間大大減少,實現(xiàn)了粘性顆粒在纖維體上沉積的數(shù)值模擬方法的優(yōu)化。對于不同表面能下的粘性顆粒在纖維體上的沉積,表面能越小,粘性顆粒在纖維體上的沉積數(shù)量越多,過濾效果越好。對于不同的顆粒粒徑,在顆粒與纖維體間的碰撞恢復系數(shù)不變時,粒徑越大的粘性顆粒越容易被捕集,數(shù)量也越多,過濾效果越好。不同的顆粒雷諾數(shù)下,粘性顆粒的捕集數(shù)量隨顆粒雷諾數(shù)的增加而減少。不同的斯托克斯數(shù)下,粘性顆粒的捕集數(shù)量隨斯托克斯數(shù)的增加而增加;同時,斯托克斯數(shù)越大,粘性顆粒捕集數(shù)量的增幅越大。并且,多粒徑分布情況下,粘性顆粒在纖維體上堆積形成樹突結(jié)構的團聚。粒徑較大的粘性顆粒沉積在纖維體表面,粒徑較小的粘性顆粒一部分被纖維體表面捕集,一部分被沉積在纖維體表面上的大顆粒捕集,并沉積在大顆粒上面形成一定的樹突結(jié)構。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：安徽工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：X513;TU834.8

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本文編號：2142636