基于CFD-DEM模拟的真实聚合物纤维介质对非球形颗粒的过滤性能研究

《Macromolecular Materials and Engineering》：Filtration Performance of Real Polymeric Fiber Media for Non-Spherical Particles Based on CFD-DEM Simulations

　　

为了阐明颗粒形态对真实聚合物纤维介质中过滤行为的影响，本研究采用计算流体动力学-离散单元法（CFD-DEM）研究了球形、立方体和正四面体颗粒的捕获动力学。结果表明，不同颗粒类型下的压降几乎相同。在惯性碰撞主导的条件下（以斯托克斯数St表征），正四面体颗粒的捕获效率最高，其次是立方体颗粒，球形颗粒最低。对于雷诺数Re在0

研究背景与科学问题

空气中颗粒物污染问题日益严峻，主要源于供暖、交通和工业生产等燃烧废气排放，已成为导致呼吸系统疾病等健康威胁的重要因素。纤维过滤技术因其高效捕集颗粒和材料可重复利用性，仍是去除空气颗粒污染物的关键技术。然而，现有研究大多将颗粒简化为理想球形模型以降低计算复杂度，但实际环境中的颗粒形态复杂多样，偏离球形显著。过度依赖球形假设可能系统性高估或低估特定机制的贡献，从而误导纤维过滤器的设计。因此，亟需揭示不规则颗粒形态在真实纤维介质中对过滤性能的影响机制。

研究内容与结论

研究人员以真实聚合物纤维介质为研究对象，基于扫描电子显微镜图像构建三维几何模型，采用CFD-DEM耦合方法系统分析了球形、立方体和正四面体颗粒的动态捕获过程，考察了雷诺数Re、斯托克斯数St、压降和品质因子等关键参数。研究表明，不同形状颗粒引起的压降几乎相同，但捕获效率受颗粒形态显著影响。在惯性碰撞主导区域（0< />< />

关键技术方法

研究人员采用CFD-DEM耦合框架模拟气固两相流，其中流体相控制方程由Ansys Fluent求解，颗粒相运动方程由EDEM求解。基于真实聚合物纤维介质的SEM图像，通过MATLAB提取坐标数据并在SolidWorks中构建三维几何模型。颗粒采用多球法构建，立方体和正四面体分别由53和41个组成球体构成，三种颗粒的投影面积保持一致以隔离形状效应。颗粒间的粘附行为采用结合Hertz-Mindlin模型的JKR理论描述。模拟参数包括颗粒密度2000 kg/m3、平均纤维直径32.48 μm、固体体积分数0.05758等。

研究结果

4.1 压降

研究发现，三种颗粒类型在相同条件下的压降几乎一致，主要由纤维层结构特征决定。压降随流速增加呈近似正比关系，表明颗粒形状对宏观流动阻力的影响在过滤初期可以忽略。

4.2 捕获效率

在惯性碰撞主导条件下（00.8时，强惯性力使所有颗粒偏离流线直接撞击纤维迎风面，形状差异导致的轨迹差异被掩盖，捕获效率趋于收敛。

在Re敏感区（0< />

4.3 品质因子

通过改变流速获得的品质因子显示，立方体颗粒最高，球形次之，正四面体最低，这与Re与捕获效率的关系一致。通过改变粘度获得的品质因子则显示，正四面体颗粒最高，立方体与球形相近。这表明虽然增大入口流速和降低流体粘度均能提高St，但两者对颗粒输运的影响不同：流速直接影响颗粒趋近速度和冲击动量，而粘度主要影响粘性阻力和弛豫时间，导致不同的形状依赖性品质因子。

结论与展望

在惯性碰撞主导的过滤机制下，颗粒捕获效率在0< />< />< />

本研究通过考虑颗粒与真实纤维相互作用的过滤过程并分析现象成因，揭示了非球形颗粒形态对颗粒输运和捕获行为的影响。未来工作可进一步研究非均匀孔隙率分布和随机纤维取向对颗粒捕获行为的影响，并将研究拓展至包含多种尺寸和形态的混合颗粒体系的过滤过程。