两不同级别过滤器组合对颗粒过滤性能模拟

F40
F10 ＞ F20 ＞ F15 F10 ＞ F15 ＞ F20 F15 ＞ F10 ＞ F20 F10 ＞ F15 ＞ F20 F10 ＞ F15 ＞ F20
粒径 μm
第一级 效率比较 0． 5 1． 0 1． 5 2． 0 2． 5
表 4 v = 0． 2 m /s 时各纤维组合效率比较
F30
本 文 模 拟 了 F30t20 + F10t10， F30t20 + F15t10， F30t20 + F20t10， F35t20 + F10t10， F35t20 + F15t10， F35t20 + F15t10， F35t20 + F20t10， F40t20 + F10t10， F40t20 + F15t10， F40t20 + F20t10 等 9 种不同纤维组合对微粒的过 滤情况。
由图 9 可看出，对于某一固定粒径的粒子， 随着速度的变化，总捕集效率有一个最小值，但 是捕集效率最低点会因粒子粒径不同而不同。随 着过滤速度的增加，捕集效率最低值向小粒径方
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电力科学与工程
2015 年
图 9 F20t10 + F10t10 总效率图
向移动。 2. 2. 2 不同纤维组合对粒子过滤效果的比较
级别过滤器的合理组合匹配，从而使过滤达到高 效而经济。如果两级过滤器级别相差很多，第二 级过滤器会承担很大的负荷，前一级起不到保护 后一级的作用； 如果两级过滤器级别相差太近， 第二级过 滤 器 不 能 实 现 其 应 有 的 价 值［4］。 所 以 有 必要对空调过滤器的组合匹配进行理论研究，尤 其是过滤器合理匹配对 PM2. 5 过滤的理论研究。
图 1 模型图
度入口，出口设为压力出口。 1. 1 填充率 α 计算
填充率 α 示意图如图 2 所示。
1 模型介绍
在本文模型中，纤维排列为错列，通过前处 理软件 Gambit 生成，采用流体流动模拟软件 Fluent 中的离散相模型对纤维过滤器捕集细微粒子的 过程进行模拟。离散相边界条件为： wall － 1——— trap，wall － 2———reflect，反射系数为 1。模拟 中 考虑粒子受布朗力、Staffman 升力、热 泳 力 及 重 力。模拟过程中假设粒子从垂直入口面喷射进来， 质量流量 0. 000 1 kg / s，残差 10 －6 。
F35
F10 ＞ F15 ＞ F20 F10 ＞ F15 ＞ F20 F15 ＞ F10 ＞ F20 F10≈F15 ＞ F20 F10≈F15≈F20
F10 ＞ F15 ＞ F20 F10 ＞ F15 ＞ F20 F10 ＞ F20 ＞ F15 F10≈F15 ＞ F20 F10≈F15≈F20
图 6 静压分布图 由图 6 可知，随着颗粒沿着气流方向运动和
图 8 F20t10 + F10t10 对 1 μm 粒子捕集压降图
由图 7、图 8 可看出，对于某一固定粒径的粒 子，随着速度的变化，第一级捕集效率、第二级 捕集效率、总捕集效率均有一个最小值； 第一级 压降、第二 级 压 降、总 压 降 随 着 速 度 的 增 加 而 升高。 2. 2 多种组合过滤器捕集性能模拟结果 2. 2. 1 F20t10 + F10t10 组合对 5 种粒径粒子的总 效率模拟结果如图 9 所示。
本文通过 FLUENT 软件模拟了不同级别过滤 器两 － 两组合对粒径分别为 0. 5 μm、1 μm、1. 5 μm、2 μm、2. 5 μm 的 5 种颗粒的过滤性能，对 多个不同级别过滤器两 － 两组合过滤性能进行了 分析与总结，得出不同级别过滤器两 － 两组合对 微粒的过滤存在最佳组合的结论，对实际工程应 用中过滤器的组合匹配以及新风系统过滤 PM2. 5 方 面提供了一定的参考。
关于空气过滤器的模拟研究，国内已有很多 学者 进 行 了 相 关 的 研 究， 文 献 ［5］ 利 用 LB （ Lattice Boltz-mann） 两相流模型对多层纤维捕集 颗粒物过程进行了数值模拟，研究了不同纤维配 置方式下系统压降与捕集效率的变化。文献 ［6］ 基于 CFD-DEM 方法模拟了微细颗粒物在纤维过 滤介质中的气 － 固两相流动特性，充分考虑了颗 粒群组成、粒径分布、颗粒间及颗粒与纤维间的 反弹作用以及颗粒团聚等因素，分析了纤维过滤 中颗粒群的运动特性和微细颗粒的沉积形式。文 献［7］用计 算 机 模 拟 软 件 绘 制 出 接 近 真 实 过 滤 介 质的随机排列三维纤维结构，对其内部流场进行 数值模拟，得出纤维过滤介质内部流场三维压力 及速度分 布 图。 文 献［8］建 立 了 具 有 一 定 曲 率 的 随机结构过滤介质模型，模拟分析了纤维过滤过
1. 2 模拟图 速度大小、颗粒轨迹、颗粒浓度分布、静压
分布如图 3 ～ 6 所示。 由图 4 和图 5 可知，随着颗粒沿气流方向运
动，由于纤维对微粒的捕集，越到下游，颗粒浓
第3 期
刘 婷，等 两不同级别过滤器组合对颗粒过滤性能模拟
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纤维对微粒的捕集，越到下游，静压越小。由于 空气流经过滤器时，需不断克服过滤器内部纤维 阻力，从而使得过滤器下游静压小于上游静压。
摘要： 通过 FLUENT 软件模拟了不同级别过滤器两 － 两组合对粒径分别为 0. 5 μm、1 μm、1. 5 μm、2 μm、2. 5 μm 5 种颗粒的过滤性能，同时模拟了过滤风速对过滤器捕集微粒效率和压降的影响规律，得出 多个不同级别过滤器两 － 两组合对这五种颗粒的过滤规律，以及过滤器捕集效率和压降随过滤风速变化 规律。对多个不同级别过滤器两 － 两组合过滤这 5 种颗粒的过滤规律、过滤器捕集效率和压降随过滤风 速变化存在最佳组合的结论，对 实际工程应用中过滤器的组合匹配以及空调系统过滤 PM2. 5 方面提供了一定的参考。
图 2 填充率和纤维直径与纤维间距的关系
πd2f
α
=
l
4 ×h
（ 1）
槡 l × h = df
π 4α
（ 2）
式中： α 为纤维填充率； df 为纤维直径； l，h 为纤维
横向、纵向间距。
纤维参数 l × h 单位 μm × μm，填充率分别为
10% 和 20% 所对应的纤维参数如表 1 所示。
表 1 模拟纤维参数
粒径 μm
第一级 效率比较 0． 5 1． 0 1． 5 2． 0 2． 5
表 3 v = 0. 1 m / s 时各纤维组合效率比较
F30
F15≈F20≈F10 F10 ＞ F15 ＞ F20 F15 ＞ F10 ＞ F20 F10 ＞ F15 ＞ F20 F20 ＞ F10 ＞ F15
F35
F10 ＞ F15 ＞ F20 F10 ＞ F15 ＞ F20 F10 ＞ F15 ＞ F20 F10 ＞ F15 ＞ F20 F10 ＞ F20 ＞ F15
粒径 μm
第一级 效率比较 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5
表 2 v = 0. 08 m / s 时各纤维组合效率比较
F30
F15 ＞ F20 ＞ F10 F15 ＞ F10 ＞ F20 F10 ＞ F20 ＞ F15 F10 ＞ F15 ＞ F20 F15 ＞ F20 ＞ F10
收稿日期： 2014 － 11 － 13。 作者简介： 刘婷 （ 1989-） ，女，硕士研究生，研究方向为新风换气机过滤器 PM2. 5 过滤性能仿真与实验，E-mail： liutingv0802
@ 163. com。
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程中颗粒 群 的 特 性 对 过 滤 特 性 的 影 响。 文 献［9］ 通过创建一系列不同结构参数的虚拟三维纤维过 滤器模型，用 FLUENT6. 1 软件对纤维内部的气相 流场在不同运行参数条件下进行了数值模拟研究。 文献［10］对空气净化器滤层及复合滤料折叠滤层 进行数值模拟，模拟不同孔隙率条件下滤料截面 阻力分布与气流速度的关系。
2 不同过滤级别组合的过滤器性能模拟
图 3 速度大小图
2. 1 典型组合捕集效率及压降模拟结果 F20t10 + F10t10 对粒径为 1 μm 粒子的捕集效
率和压降模拟结果如图 7、图 8 所示。
图 4 颗粒轨迹图
图 7 F20t10 + F10t10 对 1 μm 粒子捕集效率图
图 5 颗粒浓度分布图 度越小。微粒随气流流过过滤器内部时，部分微 粒在惯性、拦截、重力、扩散和静电力等多种作 用下沉集在纤维表面，从而使过滤器下游微粒数 目和浓度低于过滤器上游。
在不同过滤风速下，各纤维组合效率比较情
况如表 2 ～ 5 所示。其中第一级填充率均为 20% ， 第二级填充率均为 10% 。表 2 ～ 5 中各纤维组合均 是第一级填充率 20% ，第二级填充率 10% ，表中 写法省略了填充率，F30F15 代表 F30t20F15t10 的 纤维组合，下同。
表 2 ～ 5 可知，在相同的速度下，直径小的纤 维对小颗粒的捕集效率不一定比直径大的纤维高； 直径大的纤维对大颗粒的捕集效率不一定比直径 小的纤维低。对同一粒径粒子，速度越大、直径 大的纤维对粒子的捕集效率不一定比直径小的纤 维低； 速度越小、直径小的纤维对粒子的捕集效 率不一定比直径大的纤维高。
纤维直径 / μm 10 15 20 25 30 35 40
10% 28 × 28 42 × 42 56 × 56 70 × 70 84 × 84 98 × 98 112 × 112
20% 20 × 20 30 × 30 40 × 40 49 × 50 59 × 59 69 × 69 79 × 79
第 31 卷第 3 期
电力科学与工程
Vol. 31，No. 3
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2015 年 3 月
Electric Power Science and Engineering