阵列纤维网过滤过程的数值模拟与分析

缪 城 潘志娟

(苏州大学纺织与服装工程学院，苏州，215021)

阵列纤维网过滤过程的数值模拟与分析

缪 城 潘志娟

(苏州大学纺织与服装工程学院，苏州，215021)

FLUENT软件具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的后处理功能，可以用来模拟阵列纤维网的过滤过程。利用FLUENT软件模拟方法研究了流体通过纤维阵列时的压力变化、纤维网对流体中颗粒物的捕集效率的影响。模拟结果表明:纤维直径减小、纤维层数增加时，流体压力降增加;纤维阵列对气流中颗粒的捕集率很低，并且纤维直径和纤维阵列组合的变化对颗粒捕集效率的影响不明显;当液体流通过直径相同的纤维阵列时，随着纤维间间距的增大，捕集效率逐步降低;当液体流通过由直径不同的两种纤维组成的混合阵列时，其捕集效率也与孔隙率相关。

FLUENT，阵列纤维网，过滤，压力降，捕集效率

近年来，随着计算机性能的提高和数值计算方法的改进，CFD(computational fluid dynamics)技术得到了飞速的发展。CFD技术相对于实验研究有其独特优势，如研究成本低、周期短，无实验仪器干扰，能够得到完整的数据，能将计算情况在计算机屏幕上形象地再现等。CFD技术的工程应用对设备的设计与改造起到了重要作用，目前已开发多种CFD商业软件。相比而言，FLUENT软件的功能更全面，适用性也更广，它将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，包括前处理、数值求解和后处理三大模块，核心部分是N-S方程组的求解模块［1-2］。

FLUENT软件具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，已经在航空航天、热能动力、土木水利、汽车工程等领域中得到了广泛的应用。从现有的研究成果来看，FLUENT软件的应用主要针对空气流场。李磊等［3］模拟了两种风向条件下街区风速分布和CO质量浓度的分布情况;杨伟等［4］计算了大气边界层中单栋高层建筑的定常风流场;赵琴［5］对空调室内的温度场进行了数值模拟。目前该软件在空气流场中的应用已经比较成熟。FLUENT软件在水流流场中的应用不同于单纯的空气流场。水利工程问题边界复杂，水汽混掺，存在多个自由水面，需要采用二相流模型，数值模拟的成果还不多。Salaheldin等［6］对垂直圆墩周围的三维流场进行了数值模拟;刘加海等［7］在水槽中对二维规则波进行了数值模拟。

利用FLUENT软件可以模拟纤维材料的过滤过程，但是文献报道很少。Jaganathan等［8］预测了纤维过滤材料在过滤过程中压力降的变化。Zobel等［9］模拟了3D纤维结构材料的渗透性。

本文初步利用FLUENT软件模拟流体通过纤维阵列时的压力变化、纤维网对流体中颗粒物的捕集效率，分析了纤维直径对流体压力降以及捕集效率等的影响，为纤维过滤材料的过滤过程和机理的研究奠定基础。

1 FLUENT的处理原理及求解步骤

1.1 FLUENT 处理原理［10］

使用FLUENT软件对一些实际问题进行模拟时，通常需要对处理的对象进行设置工作环境、确立边界条件和选择最优算法等一系列操作。尤其是选择最优算法，此步骤对模拟的效率及其正确性有很大的影响，需要特别重视。区域离散化就是用一组有限个离散的点来代替原来连续的空间，其处理原理就是把所要计算的区域划分为许多互不重叠的子区域，然后确定每个子区域的节点位置和该节点所代表的控制体积。常用的离散化方法主要有有限差分法、有限元法和有限体积法三种。本文主要采用有限体积法，该实验方法就是将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，然后将待解的微分方程对每个控制体积积分，从而得到一组离散方程，利用FLUENT软件模拟流体通过纤维阵列时的压力变化、纤维网对流体中颗粒物的捕集效率，其中未知数是网格节点上的因变量。

1.2 阵列纤维网的基本结构

本文以图1所示的阵列纤维网为对象进行研究。有一组粗细相同平行排列的纤维阵列，纤维在Y－Z平面内沿Z轴方向均匀、平行排列，相邻两层纤维网中的纤维交错排列。流体(气流或水流)沿着X轴方向运动，初始速度和压力一定。

图1 过滤模型示意

1.3 FLUENT软件求解过程

利用数值方法求解流体问题需要遵循数值模拟方法的求解步骤［11］。FLUENT软件的求解过程如图2所示。

在求解过程中，某些关键步骤直接决定能否得到真实的模拟结果，以下着重对建立模型及创建网格、解的格式进行分析。

1.3.1 建立模型及创建网格

图2 FLUENT软件的求解过程

首先要建立模拟对象，即将实际的模拟区域抽象为模型，使之能为FLUENT识别，该项工作可由FLUENT自带的前处理软件GAMBIT完成。由于本文的模拟对象是呈规律性排列的纤维，故在建立模型时选取其横截面，从而将其简化为二维问题进行分析，如图3所示。

图3 网格示意图

1.3.2 解的格式

FLUENT提供三种不同的求解器算法:非耦合求解(segregated)、耦合隐式算法(coupled implicit)和耦合显示算法(coupled explicit)。非耦合求解方法主要用于不可压缩或压缩性不强的流体流动(液体)。耦合求解(coupled)方法用于高速可压缩流(气体)。对于高速可压缩流，求解网格比较密，建议采用耦合隐式求解方法，能较快地得到收敛解，但要求计算机内存足够大。如果必须要耦合求解，而计算机内存又不够时，可以考虑用耦合显式求解器，但收敛时间较长。本文分析液体流时采用非耦合求解方法，分析气体流时采用耦合隐式求解方法。

2 实验结果分析

2.1 纤维阵列结构对水压的影响

2.1.1 纤维层数对水压的影响

给定纤维阵列，纤维直径为0.8 mm，上下、左右间距均为 0.4 mm。初始压力0.1 MPa，流速为5 m/s的水流通过两层上述纤维阵列时，其压力变化如图4所示;同样的水流通过三层上述纤维阵列时，其压力变化的结果如图5所示。

可以看出，水流通过两层纤维阵列后的压力降比三层的略小一些，前者出口处压力约为83.7 kPa，后者出口处压力约为75.8 kPa，即纤维层数增加使水流阻力增大，压力降增加。

图4 纤维直径0.8 mm的两层纤维阵列中的水压变化

图5 纤维直径0.8 mm的三层纤维阵列中的水压变化

2.1.2 纤维直径及孔隙大小对水压的影响

将直径为0.8 mm的纤维按照上下、左右间距均为0.4 mm的方式排列，另将直径为1 mm的纤维按照上下、左右间距为0.5 mm的方式排列，两种纤维阵列的孔隙率均接近50%。初始压力0.1 MPa，流速为5 m/s的水流分别通过三层上述两种纤维阵列时，其压力的变化分别如图5和图6所示。

图6 纤维直径1 mm的三层纤维阵列中的水压变化

可以看出，对于孔隙率均接近50%的纤维阵列，直径和孔隙小的纤维阵列的压力降(出口处压力约为75.8 kPa)比直径和孔隙大的纤维阵列(出口处压力约为80.5 kPa)略大，说明细纤维和小孔隙使水流阻力增加。

2.2 纤维阵列结构对过滤效果的影响

本文采用了直径为1 μm和2 μm的两种纤维，构建了含有三层纤维的6种不同的阵列结构，具体参数见表1。

2.2.1 纤维阵列结构对气体过滤效果的影响

现给定一组气流，初始压力0.1 MPa，流速为5 m/s，气流中加入直径为1 μm的尘埃颗粒。将上述气流通入表1所示6种纤维阵列中，并设定入口面宽度均为15 μm，其颗粒捕集率见表2。

表1 纤维阵列的排列方式

表2 纤维阵列对气流中颗粒的捕集效率

从表2可以看出，当纤维直径和颗粒直径、纤维间距都是微米量级时，纤维阵列对气流中颗粒的捕集率很低。纤维直径和纤维阵列组合的变化对颗粒捕集效率的影响不明显。

2.2.2 纤维阵列结构对液体过滤效果的影响

现给定一组液流，初始压力0.1 MPa，流速为5 m/s，液流中加入直径为1 μm的沙土颗粒。将上述液流通入表1所示6种纤维阵列中，并设定入口面宽度均为15 μm，其颗粒捕集率见表3。

表3 纤维阵列对液流中颗粒的捕集效率

当纤维直径相同(2 μm)时，单(2-1.5)纤维阵列的颗粒捕集效率最高，随着纤维之间间距的逐步增大，孔隙率增加，纤维网对颗粒的捕集效率下降。

对比单(2-2)和单(1-2)可以看出，在纤维间距相同的情况下，纤维直径减小，颗粒捕集效率下降，这是因为纤维直径下降导致纤维网的孔隙率增大。

改变纤维阵列的排列，采取两种直径不同的纤维交叉排列，结果显示混 (2-1-2)的颗粒捕集效率要比混(1-2-1)高出17个百分点，这也是因为两者的孔隙率不同所造成的，前者的孔隙率小于后者。

3 结论

FLUENT软件能够模拟气流、液流通过纤维阵列时的流动过程。纤维直径减小、纤维层数增加时，流体压力降增加。对加入了颗粒的流体通过纤维阵列后的捕集效率的分析表明，不管是单一纤维阵列还是混合纤维阵列，孔隙率是影响纤维网对颗粒捕集效率的主要因素。

［1］李勇，刘志友，安亦然.介绍计算流体力学通用软件——FLUENT［J］.水动力学研究与进展，2001，16(2):254-258.

［2］刘霞，葛新锋.FLUENT软件及其在我国的应用［J］.能源研究与利用，2003(2):36-38.

［3］李磊，胡非，程雪玲.FLUENT在城市街区大气环境中的一个应用［J］.中国科学院研究生院学报，2004，21(4):476-480.

［4］杨伟，顾明.高层建筑三维定常风场数值模拟［J］.同济大学学报，2003，31(6):647-651.

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［6］SALAHELDIN T M ，IMRAN J，CHAUDHRY M H .Numerical modelingofthree-dimensionalflow field around circular piers［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2003，130(2):91-100.

［7］刘加海，杨永全，张洪雨.二维数值水槽波浪生成过程及波浪形态分析［J］.四川大学学报:工程科学版，2004，36(6):28-31.

［8］JAGANATHAN S，VAHEDI T H.On the pressure drop prediction of filter media composed of fibers with bimodal diameter distributions［J］.Power Technology，2008，181:89-95.

［9］ZOBELA S，MAZEB B，VAHEDI T H.Simulating permeability of 3-D calendered fibrous structures［J］.Chemical Engineering Science，2007，62:6285-6296.

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Numerical simulation of filtering process in fiber array

Miao Cheng，Pan Zhijuan
(College of Textile and Clothing Engineering，Soochow University)

FLUENT software provides rich physical modeling，advanced numerical methods and powerful post-processing functions，can be used to simulate filtering process in fiber array.FLUENT software was used as a tool to simulate the pressure changing as the fluid through the fiber array and the effect of fiber array on the collection efficiency of particles in fluid.The simulation results showed that the pressure drop of the fluid raised when fiber diameter reduced or the number of fiber layers increased，fiber array exhibited a low collection efficiency of particles in airflow，and there was no obvious influence on the collection efficiency of particles when the fiber diameter or the combination of fiber array was changed.When the liquid flow went through the fiber array with the same fiber diameter，the collection efficiency of particles decreased gradually with the increasing distance between fibers.When the liquid flow through the mixed fiber array composed of fibers with two different fiber diameters，the collection efficiency of particles was also related to the porosity ratio.

FLUENT，fiber array，filter，pressure drop，collection efficiency

TQ019;TQ028.26;TQ028.53

A

1004－7093(2010)09－0017－06

2010－06－05

缪城，男，1983年生，在读硕士研究生。主要从事纤维过滤材料的研究。