基于CFD-DEM的纤维介质气溶胶液滴捕获机制研究：孔隙体积与毛细吸力的协同效应

针对气溶胶液滴传播控制难题，天津科研团队通过计算流体动力学-离散元法（CFT-DEM）构建动态模型，揭示纤维介质孔隙体积（SVF）与毛细吸力对液滴捕获效率的影响规律。研究发现高SVF会缩短液桥长度并降低毛细力，而流速增加导致吸力减弱和液桥断裂，为优化空气过滤材料提供理论依据。

　　

病毒通过气溶胶液滴传播已成为全球公共卫生的重要威胁。人们在呼吸、咳嗽或打喷嚏时产生的携带病原体的液滴，可能因蒸发或气流作用长期悬浮于空气中，显著增加交叉感染风险。尽管纤维介质过滤是阻隔气溶胶传播的主要手段，但传统研究多局限于静态观察或简化模型，对动态捕获机制中毛细力与孔隙结构的协同作用缺乏深入认知。

天津科研团队在《Powder Technology》发表的研究，首次通过计算流体动力学-离散元法（CFD-DEM）耦合建模，动态模拟了F8中效纤维介质（初始过滤效率85%-95%）捕获气溶胶液滴的全过程。该研究创新性地引入"孔隙体积控制"和"吸力控制"双重视角，系统分析了固体体积分数（SVF）和流速对液膜形成-破裂机制的影响。关键技术包括：基于Navier-Stokes方程求解流场-液滴相互作用，采用Lagrangian方程追踪液滴运动轨迹，并通过Young-Laplace方程优化毛细桥力模型，同时纳入天津科技计划项目提供的真实纤维介质三维结构数据。

理论计算
研究建立的气溶胶液滴动力学模型显示，纤维介质内部孔隙体积（V）与SVF呈负相关。当SVF从0.1增至0.3时，孔隙空间压缩导致液桥长度缩短40%，使毛细力下降并阻碍凹液面形成。

SVF对捕获效率的影响
模拟数据表明，在固定流速0.181 m/s条件下，SVF为0.2的介质捕获效率较0.1提升25%。高SVF环境促使液滴更易通过拦截和碰撞机制被捕集，但超过临界值（0.25）后，液膜稳定性下降导致二次逃逸率增加15%。

毛细吸力与流速的博弈
当流速从0.1 m/s提升至0.3 m/s时，作用于液桥的毛细压力降低53%，引发液桥断裂时间缩短至毫秒级。值得注意的是，直径>5μm的液滴虽易被纤维直接捕获，却难以通过液膜机制滞留。

结论与意义
该研究首次阐明纤维介质捕获气溶胶液滴的双重调控机制：1）孔隙体积通过改变液桥几何形态影响毛细力强度；2）流体速度调控吸力大小决定液桥稳定性。相较于固体颗粒，含颗粒核的气溶胶液滴（表面张力仅53 mN/m，纯水为75 mN/m）表现出独特的弹性碰撞特性。这些发现为设计智能过滤材料提供了关键参数：优化SVF在0.2-0.25区间可平衡捕获效率与压降损失，而调控纤维表面能可增强毛细效应。研究成果对防控流感、COVID-19等空气传播疾病具有重要实践价值，相关模型已被应用于医用防护装备的流体动力学优化。