粘性颗粒在纤维体上沉积的数值模拟方法优化

发布时间：2018-07-24 20:57

【摘要】：大气污染日益严重,飘逸在大气中的细颗粒物对自然环境、公众健康有重要的危害。因此,减少空气中细颗粒的含量对于保护人体健康和自然环境显得格外重要。作为去除细颗粒物的有效工具,研究颗粒物在纤维过滤介质纤维体上的沉积特性对其过滤性能的影响至关重要。作为一种重要的研究手段,数值模拟已越来越多地应用在该领域。因此,开展细颗粒物在纤维体上沉积的数值模拟方法研究对于优化过滤介质结构、改善大气环境及节能减排具有重要理论研究价值和实际意义。本文首先采用ANSYS-Fluent中离散相模型(Discrete Phase Model)对单纤维过滤介质中的气-固两相流进行数值研究,基于用户自定义函数(User Defined Function)考虑范德华力对颗粒捕集的作用,结合Matlab实现了粘性颗粒在单纤维体上沉积型态的可视化仿真,分析了不同运行参数及颗粒物属性参数对颗粒沉积特性的影响。然后利用离散单元法(Discrete Element Method)与计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)耦合的方法模拟研究了不同颗粒与纤维体间的碰撞恢复系数以及不同过滤风速下粘性颗粒在单纤维体上的碰撞、团聚等动态沉积特性。最后,基于EDEM软件的API接口加载曳力模型,对粘性颗粒在纤维体上的沉积进行散体力学动态模拟,并将计算结果与CFD-DPM和CFD DEM耦合的结果进行比较,以实现数值模拟方法的优化。研究结果表明:(1)利用CFD-DPM的方法,基于Fluent UDF接口可以实现范德华力的作用,能够较精确地模拟粘性颗粒在纤维体上沉积过程和颗粒运动轨迹,而且通过Fluent与Matlab的数据对接,实现了颗粒运动的可视化仿真。通过该方法对细颗粒在纤维体上沉积的模拟结果表明,对于布朗效应起主导作用的小粒径(Rp≤1μm),一味的提高过滤风速并不能带来过滤效率的提升;对于惯性碰撞效应起主导作用的大粒径(2μm≤Rp≤4μm),过滤效率随过滤风速的增大而显著增大;该方法对计算机的配置要求不高,模拟计算时间也短(2h-4h),但粘性颗粒在纤维体上的沉积形态并不直观。(2)通过CFD-DEM的耦合算法对粘性颗粒在纤维体上沉积进行模拟,实现了颗粒在纤维体上沉积形态的直观可视化,但模拟工况的计算时间长(12h-24h)。对于不同颗粒与纤维体间的碰撞恢复系数,粘性颗粒的捕集数量随颗粒与纤维体间的碰撞恢复系数呈先增加后减少,然后达到平稳状态的趋势。对于本文所研究的颗粒及纤维体,在利用CFD-DEM进行耦合计算时,纤维体与颗粒间的碰撞恢复系数设为0.3是合理的。不同的过滤风速下粘性颗粒的捕集数量与颗粒的粒径大小有关。粘性颗粒的粒径小于2μm时,粘性颗粒易随气流在纤维体表面做绕流运动而未被纤维体捕集,沉积在纤维体上的粘性颗粒极少,而当粘性颗粒的粒径大于2μm时,粘性颗粒被纤维体捕集的数量明显增加,随着过滤风速的增加,沉积在纤维体上的粘性颗粒有所减少。在对粘性颗粒进行气-固两相流模拟时,过滤风速选择0.1m/s时的过滤效果最好。(3)利用EDEM软件的API接口加载曳力模型,对粘性颗粒在纤维体上沉积进行散体力学动态模拟,并将DEM计算结果与CFD-DPM和CFD DEM耦合的结果进行比较,表明DEM可以精确描述粘性颗粒物在纤维体上沉积特性,同时对计算机配置的要求也低,模拟计算时间(30min-60min)相比于传统的CFD模拟计算时间大大减少,实现了粘性颗粒在纤维体上沉积的数值模拟方法的优化。对于不同表面能下的粘性颗粒在纤维体上的沉积,表面能越小,粘性颗粒在纤维体上的沉积数量越多,过滤效果越好。对于不同的颗粒粒径,在颗粒与纤维体间的碰撞恢复系数不变时,粒径越大的粘性颗粒越容易被捕集,数量也越多,过滤效果越好。不同的颗粒雷诺数下,粘性颗粒的捕集数量随颗粒雷诺数的增加而减少。不同的斯托克斯数下,粘性颗粒的捕集数量随斯托克斯数的增加而增加;同时,斯托克斯数越大,粘性颗粒捕集数量的增幅越大。并且,多粒径分布情况下,粘性颗粒在纤维体上堆积形成树突结构的团聚。粒径较大的粘性颗粒沉积在纤维体表面,粒径较小的粘性颗粒一部分被纤维体表面捕集,一部分被沉积在纤维体表面上的大颗粒捕集,并沉积在大颗粒上面形成一定的树突结构。
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【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X513;TU834.8

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