烟气气溶胶在截面异形纤维多孔介质中的迁移研究

纤维多孔介质过滤材料对于控制烟气气溶胶的危害性有重要作用，基于圆形截面纤维过滤的经典理想模型理论不能支撑截面异形纤维等高效纤维过滤材料的深化研究，也制约了人们对纤维过滤的深入认识和高效过滤材料的开发应用。本课题拟通过数值模拟与实验检测的手段分析截面异形纤维过滤的微观特性，建立相应的截面异形纤维过滤单元模型，并通过基于电称低压冲击法实时检测的烟气气溶胶粒径分布特征分析，研究烟气气溶胶颗粒在截面异形纤维多孔介质中的迁移规律，分析截面异形纤维的纤度、截面异形度、体积比表面积、初始模量等结构特性对烟气气溶胶颗粒迁移的影响。通过截面异形纤维过滤特性的研究将有助与完善与发展纤维过滤理论，并有助于高效纤维过滤材料的开发和应用。

项目采用实验与数值模拟相结合的方法研究纤维介质对颗粒物的过滤特性，分析了纤维当量直径、纤维集合体空隙率、集合体长度等条件对颗粒捕集效率的影响，得到了影响颗粒捕集的关键因素。主要结论如下：.（1）搭建纤维介质对烟气中颗粒物捕集的实验装置。研究了不同工况下不同规格“Y”形截面单纤维迎风面颗粒覆盖率随时间的变化规律，以及纤维集合体捕集效率随过滤长度和时间的变化规律。结果表明：单纤维迎风面颗粒覆盖率在不同工况下均随时间的增加而增加，增加到一定程度，增加速度逐渐变慢；在同一时刻，覆盖率随单丝线密度的减小、烟气速度的增大及颗粒浓度的增加而增加；随着集合体空隙率的增加，其对气溶胶颗粒物的捕集效率下降。而对于同一空隙率不同线密度的滤棒，随着单丝线密度的增加，滤棒集合体对气溶胶颗粒物的捕集效率减小；捕集效率随着过滤时间的增加，实验滤棒段的捕集效率呈现缓慢下降。同时发现捕集效率随着滤棒空隙率的增大、单丝线密度的增大而减小。.（2）建立单纤维捕集烟气颗粒物的数值模型，采用Euler-Lagrange方法，研究了不同截面纤维在不同烟气速度下、不同颗粒浓度下，迎风面颗粒覆盖率随时间的变化规律，并将模拟结果与实验结果进行对比，两者吻合较好，验证了模型的合理性。结果表明：同一时间，“Y”形纤维覆盖率大于与其外接圆直径大小相同的圆形纤维迎风面的覆盖率，且纤维直径越小、气流速度越大、颗粒浓度越大，两种截面纤维的覆盖率相差越大。较大的低速区面积和速度梯度是影响颗粒捕集的关键因素。 .（3）通过对纤维集合体微观结构的观察以及实验测定的部分参数，建立了基于随机算法的集合体模型，使其内部结构与真实的滤棒集合体微观结构相似。利用欧拉-拉格朗日方法对颗粒物的流动特征进行数值模拟研究。模拟不同因素下纤维集合体对烟气颗粒物的过滤效率，并将模拟结果与实验结果进行对比，研究了不同线密度、不同空隙率因素下纤维集合体对烟气颗粒物拦截特性的影响。结果表明：对于同一种纤维，纤维集合体的拦截效率随着空隙率的减小而增加。在相同的空隙率下，拦截效率随着纤维线密度的增大而减少。同时利用模型探究不同颗粒相浓度以及不同气流速度下，纤维集合体对颗粒物拦截特性的影响，研究发现过滤初期，颗粒相浓度以及气流速度的变化对拦截效率的影响不大。