陣列纖維網過濾過程的數值模擬與分析

繆 城 潘志娟

(蘇州大學紡織與服裝工程學院，蘇州，215021)

陣列纖維網過濾過程的數值模擬與分析

繆 城 潘志娟

(蘇州大學紡織與服裝工程學院，蘇州，215021)

FLUENT軟件具有豐富的物理模型、先進的數值方法以及強大的后處理功能，可以用來模擬陣列纖維網的過濾過程。利用FLUENT軟件模擬方法研究了流體通過纖維陣列時的壓力變化、纖維網對流體中顆粒物的捕集效率的影響。模擬結果表明:纖維直徑減小、纖維層數增加時，流體壓力降增加;纖維陣列對氣流中顆粒的捕集率很低，并且纖維直徑和纖維陣列組合的變化對顆粒捕集效率的影響不明顯;當液體流通過直徑相同的纖維陣列時，隨著纖維間間距的增大，捕集效率逐步降低;當液體流通過由直徑不同的兩種纖維組成的混合陣列時，其捕集效率也與孔隙率相關。

FLUENT，陣列纖維網，過濾，壓力降，捕集效率

近年來，隨著計算機性能的提高和數值計算方法的改進，CFD(computational fluid dynamics)技術得到了飛速的發展。CFD技術相對于實驗研究有其獨特優勢，如研究成本低、周期短，無實驗儀器干擾，能夠得到完整的數據，能將計算情況在計算機屏幕上形象地再現等。CFD技術的工程應用對設備的設計與改造起到了重要作用，目前已開發多種CFD商業軟件。相比而言，FLUENT軟件的功能更全面，適用性也更廣，它將不同領域的計算軟件組合起來，成為CFD計算機軟件群，包括前處理、數值求解和后處理三大模塊，核心部分是N-S方程組的求解模塊［1-2］。

FLUENT軟件具有豐富的物理模型、先進的數值方法以及強大的前后處理功能，已經在航空航天、熱能動力、土木水利、汽車工程等領域中得到了廣泛的應用。從現有的研究成果來看，FLUENT軟件的應用主要針對空氣流場。李磊等［3］模擬了兩種風向條件下街區風速分布和CO質量濃度的分布情況;楊偉等［4］計算了大氣邊界層中單棟高層建筑的定常風流場;趙琴［5］對空調室內的溫度場進行了數值模擬。目前該軟件在空氣流場中的應用已經比較成熟。FLUENT軟件在水流流場中的應用不同于單純的空氣流場。水利工程問題邊界復雜，水汽混摻，存在多個自由水面，需要采用二相流模型，數值模擬的成果還不多。Salaheldin等［6］對垂直圓墩周圍的三維流場進行了數值模擬;劉加海等［7］在水槽中對二維規則波進行了數值模擬。

利用FLUENT軟件可以模擬纖維材料的過濾過程，但是文獻報道很少。Jaganathan等［8］預測了纖維過濾材料在過濾過程中壓力降的變化。Zobel等［9］模擬了3D纖維結構材料的滲透性。

本文初步利用FLUENT軟件模擬流體通過纖維陣列時的壓力變化、纖維網對流體中顆粒物的捕集效率，分析了纖維直徑對流體壓力降以及捕集效率等的影響，為纖維過濾材料的過濾過程和機理的研究奠定基礎。

1 FLUENT的處理原理及求解步驟

1.1 FLUENT 處理原理［10］

使用FLUENT軟件對一些實際問題進行模擬時，通常需要對處理的對象進行設置工作環境、確立邊界條件和選擇最優算法等一系列操作。尤其是選擇最優算法，此步驟對模擬的效率及其正確性有很大的影響，需要特別重視。區域離散化就是用一組有限個離散的點來代替原來連續的空間，其處理原理就是把所要計算的區域劃分為許多互不重疊的子區域，然后確定每個子區域的節點位置和該節點所代表的控制體積。常用的離散化方法主要有有限差分法、有限元法和有限體積法三種。本文主要采用有限體積法，該實驗方法就是將計算區域劃分為網格，并使每個網格點周圍有一個互不重復的控制體積，然后將待解的微分方程對每個控制體積積分，從而得到一組離散方程，利用FLUENT軟件模擬流體通過纖維陣列時的壓力變化、纖維網對流體中顆粒物的捕集效率，其中未知數是網格節點上的因變量。

1.2 陣列纖維網的基本結構

本文以圖1所示的陣列纖維網為對象進行研究。有一組粗細相同平行排列的纖維陣列，纖維在Y－Z平面內沿Z軸方向均勻、平行排列，相鄰兩層纖維網中的纖維交錯排列。流體(氣流或水流)沿著X軸方向運動，初始速度和壓力一定。

圖1 過濾模型示意

1.3 FLUENT軟件求解過程

利用數值方法求解流體問題需要遵循數值模擬方法的求解步驟［11］。FLUENT軟件的求解過程如圖2所示。

在求解過程中，某些關鍵步驟直接決定能否得到真實的模擬結果，以下著重對建立模型及創建網格、解的格式進行分析。

1.3.1 建立模型及創建網格

圖2 FLUENT軟件的求解過程

首先要建立模擬對象，即將實際的模擬區域抽象為模型，使之能為FLUENT識別，該項工作可由FLUENT自帶的前處理軟件GAMBIT完成。由于本文的模擬對象是呈規律性排列的纖維，故在建立模型時選取其橫截面，從而將其簡化為二維問題進行分析，如圖3所示。

圖3 網格示意圖

1.3.2 解的格式

FLUENT提供三種不同的求解器算法:非耦合求解(segregated)、耦合隱式算法(coupled implicit)和耦合顯示算法(coupled explicit)。非耦合求解方法主要用于不可壓縮或壓縮性不強的流體流動(液體)。耦合求解(coupled)方法用于高速可壓縮流(氣體)。對于高速可壓縮流，求解網格比較密，建議采用耦合隱式求解方法，能較快地得到收斂解，但要求計算機內存足夠大。如果必須要耦合求解，而計算機內存又不夠時，可以考慮用耦合顯式求解器，但收斂時間較長。本文分析液體流時采用非耦合求解方法，分析氣體流時采用耦合隱式求解方法。

2 實驗結果分析

2.1 纖維陣列結構對水壓的影響

2.1.1 纖維層數對水壓的影響

給定纖維陣列，纖維直徑為0.8 mm，上下、左右間距均為 0.4 mm。初始壓力0.1 MPa，流速為5 m/s的水流通過兩層上述纖維陣列時，其壓力變化如圖4所示;同樣的水流通過三層上述纖維陣列時，其壓力變化的結果如圖5所示。

可以看出，水流通過兩層纖維陣列后的壓力降比三層的略小一些，前者出口處壓力約為83.7 kPa，后者出口處壓力約為75.8 kPa，即纖維層數增加使水流阻力增大，壓力降增加。

圖4 纖維直徑0.8 mm的兩層纖維陣列中的水壓變化

圖5 纖維直徑0.8 mm的三層纖維陣列中的水壓變化

2.1.2 纖維直徑及孔隙大小對水壓的影響

將直徑為0.8 mm的纖維按照上下、左右間距均為0.4 mm的方式排列，另將直徑為1 mm的纖維按照上下、左右間距為0.5 mm的方式排列，兩種纖維陣列的孔隙率均接近50%。初始壓力0.1 MPa，流速為5 m/s的水流分別通過三層上述兩種纖維陣列時，其壓力的變化分別如圖5和圖6所示。

圖6 纖維直徑1 mm的三層纖維陣列中的水壓變化

可以看出，對于孔隙率均接近50%的纖維陣列，直徑和孔隙小的纖維陣列的壓力降(出口處壓力約為75.8 kPa)比直徑和孔隙大的纖維陣列(出口處壓力約為80.5 kPa)略大，說明細纖維和小孔隙使水流阻力增加。

2.2 纖維陣列結構對過濾效果的影響

本文采用了直徑為1 μm和2 μm的兩種纖維，構建了含有三層纖維的6種不同的陣列結構，具體參數見表1。

2.2.1 纖維陣列結構對氣體過濾效果的影響

現給定一組氣流，初始壓力0.1 MPa，流速為5 m/s，氣流中加入直徑為1 μm的塵埃顆粒。將上述氣流通入表1所示6種纖維陣列中，并設定入口面寬度均為15 μm，其顆粒捕集率見表2。

表1 纖維陣列的排列方式

表2 纖維陣列對氣流中顆粒的捕集效率

從表2可以看出，當纖維直徑和顆粒直徑、纖維間距都是微米量級時，纖維陣列對氣流中顆粒的捕集率很低。纖維直徑和纖維陣列組合的變化對顆粒捕集效率的影響不明顯。

2.2.2 纖維陣列結構對液體過濾效果的影響

現給定一組液流，初始壓力0.1 MPa，流速為5 m/s，液流中加入直徑為1 μm的沙土顆粒。將上述液流通入表1所示6種纖維陣列中，并設定入口面寬度均為15 μm，其顆粒捕集率見表3。

表3 纖維陣列對液流中顆粒的捕集效率

當纖維直徑相同(2 μm)時，單(2-1.5)纖維陣列的顆粒捕集效率最高，隨著纖維之間間距的逐步增大，孔隙率增加，纖維網對顆粒的捕集效率下降。

對比單(2-2)和單(1-2)可以看出，在纖維間距相同的情況下，纖維直徑減小，顆粒捕集效率下降，這是因為纖維直徑下降導致纖維網的孔隙率增大。

改變纖維陣列的排列，采取兩種直徑不同的纖維交叉排列，結果顯示混 (2-1-2)的顆粒捕集效率要比混(1-2-1)高出17個百分點，這也是因為兩者的孔隙率不同所造成的，前者的孔隙率小于后者。

3 結論

FLUENT軟件能夠模擬氣流、液流通過纖維陣列時的流動過程。纖維直徑減小、纖維層數增加時，流體壓力降增加。對加入了顆粒的流體通過纖維陣列后的捕集效率的分析表明，不管是單一纖維陣列還是混合纖維陣列，孔隙率是影響纖維網對顆粒捕集效率的主要因素。

［1］李勇，劉志友，安亦然.介紹計算流體力學通用軟件——FLUENT［J］.水動力學研究與進展，2001，16(2):254-258.

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［5］趙琴.FLUENT軟件的技術特點及其在暖通空調領域的應用［J］.計算機應用，2003，23(12):424-425.

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Numerical simulation of filtering process in fiber array

Miao Cheng，Pan Zhijuan
(College of Textile and Clothing Engineering，Soochow University)

FLUENT software provides rich physical modeling，advanced numerical methods and powerful post-processing functions，can be used to simulate filtering process in fiber array.FLUENT software was used as a tool to simulate the pressure changing as the fluid through the fiber array and the effect of fiber array on the collection efficiency of particles in fluid.The simulation results showed that the pressure drop of the fluid raised when fiber diameter reduced or the number of fiber layers increased，fiber array exhibited a low collection efficiency of particles in airflow，and there was no obvious influence on the collection efficiency of particles when the fiber diameter or the combination of fiber array was changed.When the liquid flow went through the fiber array with the same fiber diameter，the collection efficiency of particles decreased gradually with the increasing distance between fibers.When the liquid flow through the mixed fiber array composed of fibers with two different fiber diameters，the collection efficiency of particles was also related to the porosity ratio.

FLUENT，fiber array，filter，pressure drop，collection efficiency

TQ019;TQ028.26;TQ028.53

A

1004－7093(2010)09－0017－06

2010－06－05

繆城，男，1983年生，在讀碩士研究生。主要從事纖維過濾材料的研究。