学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

小型高效过滤器过滤性能的多尺度数值仿真研究

作　者: 王伟
导　师: 王政
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 军事装备学
关键词: 多尺度分析计算流体力学壁面滑移气-固两相流过滤阻力过滤效率
分类号: TQ051.85
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 12次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

过滤罐是一种小型高效过滤器,它是个体生物防护面具重要的组成部分,主要用于净化被污染的气体,将有毒气体或生物气溶胶粒子隔离于过滤介质的表面及内部。近些年来,随着世界各地生物安全时间的频发,各国研究者针对过滤罐的过滤性能做了大量研究,即通过有效的手段提高过滤罐的过滤效率η降低其过滤阻力△P。对于此,采用实验的方法或借助过滤理论推演的方法能达到一定的效果,但实验的方法获取数据能力有限,过滤理论适用条件有限。然而采用计算机数值仿真的方法,借助建立适当的物理建模及数学建模,可以将过滤罐优化设计的过程依托于计算机进行,通过预测一定外界条件下过滤罐的效率与阻力,来研究各因素对过滤罐过滤性能的影响。这将很大程度地简化其研发过程,对于过滤罐过滤性能的优化具有重大的意义。然而,在具体应用中,由于生物防护领中所应用的小型高效过滤器(High Efficiency Particulate Air, HEPA)、超高效过滤器(Ultra Low Penetration Air, ULPA)的滤料纤维直径一般为微米级甚至纳米级尺度,所针对的气溶胶微粒的几何直径一般也为微纳米级尺度,但滤芯及罐体的几何特征尺寸为厘米级尺度。这三者尺度跨度巨大,且每个尺度下的流体流动都对过滤罐的过滤性能有着非常大的影响。直接建立过滤罐的全尺度数值计算模型会造成巨大的计算量,在普通PC机上难以应用。而随着多尺度分析方法的发展及其应用,对于复杂流动的研究也推进到了多尺度分析的层面上。通过利用有效的数值仿真方法对各个尺度下的流动进行模拟预测,建立有效的尺度之间数据传递或推进机制,将微尺度下的流动与宏观尺度下的流动关联起来,这种算法不但能够满足多尺度耦合条件下的复杂流动问题系统解析的要求,而且可以大大减化运算程序、减少计算量,适用于普通PC机。但目前,对于过滤罐过滤性能的仿真研究仍多停留在单尺度分析的层面上。如仅在微观尺度上对滤料的过滤性能或仅在宏观尺度上对过滤罐整体的过滤性能进行数值研究,这样的做法不能达到系统全面了解、预测过滤罐过滤性能的目的。鉴于此,本文使用了一种多尺度数值分析的方法对过滤罐的过滤性能进行研究。研究中,鉴于U15玻璃纤维滤料厚度与纤维直径间的尺度差距,为减少后续流场分析时的数值计算量。本文对其在厚度方向上进行了分层并利用VB高级语言及Gambit软件的Journal文件建立了局部厚度U15滤料的二维及三维模型。在验证计算域大小及网格密度对数值计算结果独立性的基础之上。利用Fluent软件，基于欧拉-欧拉(Eule-Euler)方法对面速度Vs=0.01m/s～0.06m/s时局部厚度U15滤料的过滤阻力、及针对几何直径为0.3μm的微粒的过滤效率进行了预测并与理论计算值进行了对比。结果表明局部厚度滤料过滤阻力随面速度增加呈线性增长,滤料过滤阻力预测值远远小于理论计算值。在数值仿真过程中,利用Maxwell—阶壁面滑移方程对纤维壁面进行修饰,并基于两种纤维壁面条件,滑移壁面条件和无滑移壁面条件,分析了微尺度下滑移流对滤料过滤阻力的影响。结果表明滑移流的出现会使滤料的过滤阻力减小。基于多孔介质模型,利用Gambit软件建立了基于二维／三维模型的U15玻璃纤维滤料全厚度模型。利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的方法对面速度在Vs=0.01m/s～0.06m/s时全厚度U15滤料的过滤阻力进行了预测并与理论计算值及实验值进行对比。结果表明,滤料过滤阻力随着面随度的增加呈线性增加。CFD预测值与理论计算值差距较大,但与实验结果有着很好的一致性。其中基于二维模型的CFD预测值与实验值的相对误差在8.75%-10.28%,基于三维模型的CFD预测值与实验值的相对误差在7.92%-9.44%,两者对于实验值的误差都较小,说明上述研究能够用于一定条件下滤料过滤阻力的预测。在此基础之上,对Davies实验关联式中的f(a)无量纲过滤阻力进行了修正,使修正后的公式可以用于预测低面速条件下U15玻璃纤维滤料的过滤阻力。对面速度在Vs=0.01m/s～0.06m/s时全厚度U15滤料针对几何直径为0.3μm的微粒的过滤效率进行了预测计算并与理论计算值及实验值进行对比。结果表明,滤料过滤效率随面速度的增加而下降,CFD预测值与理论计算值差距较大但与实验结果差距较小,其中基于二维模型的CFD预测值与实验值的误差小于0.27%。基于三维模型的CFD预测值与实验值的误差小于0.02%。两者对于实验值的误差都较小,但无法达到预测超高效滤料过滤效率(≥99.9999%)的要求。在U15滤料过滤性能数值研究的基础之上,建立了滤芯的二维模型及罐体三维模型。利用Fluent软件对滤芯在面速度Vs=0.01m/s～0.06m/s下的过滤阻力进行了预测。将滤芯视为多孔介质并对罐体在面速度Vs=0.01m/s～0.06m/s下的过滤阻力进行了预测,结果表明过滤罐阻力与面速度Vs有着很好的线性关系。CFD预测值总体上高于实验结果,但相对误差较小,为12.63%-21.51%。说明上述研究可以用于一定条件下过滤罐阻力的预测。综上所述,本文基于流体流动多尺度分析方法,借助CFD的方法,并将多孔介质模型视为尺度间的数据传递机制。分别在微观纳米尺度及宏观微米、厘米尺度上对过滤罐中气-固两相流流动与分离过程进行了数值分析,预测一定面速度下滤料中的压力分布及气溶胶颗粒浓度分布,滤芯及罐体中压力分布,基于此来计算滤料的过滤阻力及效率,过滤罐的阻力。并将仿真结果与实验结果及理论计算结果进行对比,分析误差原因,以期为过滤罐过滤性能的优化提供理论指导。

全文目录

中文摘要  9-12
Abstract  12-15
第一章绪论  15-26
  1.1 课题研究背景及研究意义  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-22
    1.2.1 微观纳米尺度上滤料过滤性能的数值研究  17-20
    1.2.2 宏观厘米尺度上滤芯及罐体过滤性能的数值研究  20-22
  1.3 研究内容与方法  22-26
    1.3.1 数值仿真研究  22-24
    1.3.2 理论计算及实验验证  24-26
第二章流体流动的多尺度分析及数值方法  26-33
  2.1 引言  26
  2.2 流体流动的多尺度分析方法  26-27
  2.3 计算流体力学介绍  27-31
    2.3.1 计算流体力学  27-29
    2.3.2 气-固两相流的研究方法及数值模型  29-30
    2.3.3 用户自定义程序理论  30-31
  2.4 本章小结  31-33
第三章纳米尺度二维局部厚度滤料模型的建立及过滤性能数值研究  33-47
  3.1 引言  33
  3.2 纳米尺度二维局部厚度滤料数值计算模型的建立  33-40
    3.2.1 二维局部厚度U15滤料几何模型的建立  33-35
    3.2.2 网格划分  35-36
    3.2.3 边界条件  36-38
    3.2.5 二维模型中气-固二相流流动数值分析  38-40
  3.3 结果  40-46
    3.3.1 网格及计算域面积依赖性验证  40-42
    3.3.2 二维模型过滤阻力预测  42-44
    3.3.3 二维模型过滤效率预测  44-46
  3.4 本章小结  46-47
第四章纳米尺度三维局部厚度滤料模型的建立及过滤性能数值研究  47-60
  4.1 引言  47
  4.2 纳米尺度三维局部厚度滤料数值计算模型的建立  47-53
    4.2.1 三维局部厚度U15滤料几何模型的建立  47-49
    4.2.2 网格划分  49-50
    4.2.3 边界条件  50-52
    4.2.4 三维模型中气-固二相流流动数值分析  52-53
  4.3 结果  53-59
    4.3.1 网格及计算域面积依赖性验证  53-54
    4.3.2 三维模型过滤阻力预测  54-57
    4.3.3 三维模型过滤效率预测  57-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章微米尺度全厚度滤料模型建立及过滤性能数值研究  60-76
  5.1 引言  60
  5.2 微米尺度全厚度滤料数值计算模型的建立  60-66
    5.2.1 微米尺度全厚度U15滤料几何模型的建立  60-61
    5.2.2 多孔介质模型参数计算  61-66
  5.3 结果  66-74
    5.3.1 全厚度滤料过滤阻力预测  66-68
    5.3.2 全厚度滤料过滤效率预测  68-69
    5.3.3 理论模型验证  69-70
    5.3.4 实验验证  70-74
  5.4 本章小结  74-76
第六章厘米尺度滤芯、罐体模型建立及过滤性能数值研究  76-83
  6.1 引言  76
  6.2 滤芯数值计算模型的建立  76-78
    6.2.1 滤芯几何模型建立  76
    6.2.2 滤芯过滤阻力预测  76-78
  6.3 罐体数值计算模型的建立  78-82
    6.3.1 罐体几何模型建立  78-79
    6.3.2 过滤罐阻力预测  79-81
    6.3.3 过滤罐阻力实验验证  81-82
  6.4 小结  82-83
第七章结论与展望  83-86
参考文献  86-92
文献综述  92-97
  参考文献  95-97
在学期间取得的成果及发表的代表性论著  97-98
代表性论著(全文)  98-105
作者简历  105-106
致谢  106-107
附录  107-113

小型高效过滤器过滤性能的多尺度数值仿真研究

内容摘要

全文目录

相似论文