塑料多孔介质纳米塑料过滤效率的先进CFD计算技术研究

《Advances in Materials Science and Engineering》：Advanced Computational Techniques for CFD Analysis of Plastic Porous Media Filtration Efficiency

　　

开发节能且成本高效的过滤系统对于解决水污染、空气污染和工业挑战至关重要。研究人员提出了一种多物理场计算框架，用于在耦合的水动力、热和颗粒输运条件下研究塑料多孔介质中的纳米塑料输运。该模型将纳维-斯托克斯（Navier–Stokes）流动与达西-福希海默（Darcy–Forchheimer）阻力、对流-扩散输运以及温度相关的纳米流体性质相结合，以模拟聚丙烯（PP）和聚偏氟乙烯（PVDF）介质中的过滤过程。结果表明，过滤效率受雷诺数（Re）、孔隙率和纳米颗粒浓度的强烈影响，在中等流动条件和孔隙率（0.55–0.65）下性能最优。热梯度通过热泳效应增强颗粒捕获。该系统在降低压降的同时实现了高达98%的效率，且预测结果与已有的理论和实验趋势吻合良好。

多孔过滤系统在环境、化学、生物医学和热管理等领域应用广泛，其性能由流体流动、多孔结构和颗粒动力学共同决定。经典深床过滤理论指出，颗粒捕获主要依靠扩散、拦截和重力沉降，这些机制对雷诺数（Reynolds number, Re）高度敏感：低Re下粘性和扩散作用占优，颗粒停留时间长，利于滞留；高Re下对流占优，颗粒停留时间缩短，过滤效率下降。此外，多孔介质的孔隙率（ε）和曲折度直接影响渗透性和可供颗粒沉积的表面积，高孔隙率虽可降低流动阻力，却会削弱捕获效率。纳米流体因具有增强的导热和输运特性而受到关注，但纳米颗粒浓度过高会引起团聚和流变性质变化，影响瞬态过滤行为。尽管计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）已被用于研究多孔介质中的流动与输运，但已有研究多局限于稳态或简化条件，对完全耦合的瞬态过程缺乏系统分析。为此，研究人员提出了一个多物理场计算框架，旨在揭示雷诺数、孔隙率、纳米颗粒体积分数（φ）和热梯度对纳米塑料瞬态过滤性能的综合影响，为优化塑料多孔过滤介质设计提供理论依据。

研究人员采用二维计算域，在COMSOL Multiphysics环境中建立了有限元模型。控制方程包括连续性方程、含Darcy–Forchheimer阻力的修正Navier–Stokes动量方程、能量方程和含热泳项的组分输运方程。纳米流体的有效热导率由Maxwell有效介质模型计算。计算域尺寸为0.10×0.02 m，采用自由四边形网格，并进行了网格独立性检验（从5,000到80,000个单元），最终选择相对变化小于1%的细化网格。入口给定均匀速度和浓度，出口为压力边界，壁面为无滑移和吸收边界（C=0）。雷诺数范围为100–500，孔隙率0.6–0.9，纳米颗粒体积分数0.01–0.05，温差20 K，模拟时间500 s。

4.1 过滤行为：瞬态速度和浓度轮廓显示，初始阶段粘性扩散主导，流动弱；随时间推移惯性增强，高Re形成明显速度核心和优先通道，加速下游输运和早期突破；低Re则呈现更均匀的扩散主导分布，颗粒滞留时间更长，有利于捕获。该结果表明存在扩散主导向对流主导的瞬态转变，以及流动强度与颗粒保留之间的权衡。

4.2 孔隙率的影响：不同ε下的浓度分布表明，低ε（0.6）介质致密，流动阻力大，颗粒集中于入口区域，停留时间长，效率高；高ε（0.9）渗透性强，对流占优，颗粒快速穿透，效率下降；中等ε（0.7–0.8）平衡了输运和滞留，获得最佳性能。

4.3 纳米颗粒体积分数的影响：φ从0.01增加到0.05时，浓度场从平滑扩散变为沿优先通道的强烈梯度，高φ导致局部颗粒聚集和有效粘度上升，增加流动阻力，使得分布非均匀；颗粒体积分数对输运和保留呈现非线性影响，需优化颗粒负载。

4.4 过滤性能：瞬态浓度随时间增加，高Re和高ε加速浓度增长和突破；过滤效率（η）初始接近1，随后因突破而下降。高Re下降更快，低Re保持较高效率。组合分析表明，过滤性能由Re、ε和φ共同调控，高流速和高孔隙率提高输运但降低保留，较低流速和密实介质增强捕获但牺牲通量，因此需平衡结构与操作参数。

讨论部分总结：瞬态过滤效率由流动、结构和颗粒输运的耦合作用控制。孔隙率通过改变流动阻力和停留时间来调节扩散/对流平衡；纳米颗粒体积分数存在最优范围，过高导致颗粒聚集和饱和；雷诺数决定输运机制从扩散控制向对流控制转变；热梯度通过热泳增强颗粒沉积而不增加流动阻力。模型预测与既有理论及实验趋势一致。

研究结论：研究人员创建了一个多物理场计算框架，