基于格子玻尔兹曼方法对粉尘颗粒在圆柱表面多机制沉积特性的模拟

《Scientific Reports》：Simulation of multi-mechanism deposition characteristics of dust particles on the cylindrical surface based on lattice Boltzmann method

　　

摘要

本研究旨在探究粉尘颗粒在圆柱形纤维表面沉积的动态特性，重点关注沉积形态变化与流场之间的双向耦合关系，而这在传统过滤模型中往往被忽视。研究开发了一种三维数值框架，结合了用于流体流动的格子玻尔兹曼方法与颗粒沉积算法。该模型能够同步处理不同佩克莱特数（Pe）和斯托克斯数（St）条件下多尺度颗粒的扩散、拦截及惯性撞击作用之间的竞争关系。研究结果表明，颗粒沉积会显著改变局部流场和压降。随着Pe数的增加，沉积形态会从以扩散为主的“包裹”模式转变为以惯性为主的“分支”模式，最终形成“紧凑”结构。这种形态演变由Pe数决定，它影响着惯性传输机制与扩散传输机制之间的平衡。此外，沉积物的增长还会增大有效捕获面积，从而使捕获效率呈非线性提升。本研究建立了无量纲传输参数（Pe、St）与宏观沉积状态之间的关联，强调了沉积形态对流体力学的反馈作用在决定过滤性能中的关键作用。这些发现为理解纤维过滤过程中由机制驱动的形态动力学演变提供了基于物理的解释。