基于Visual C#和MATLAB的纤维过滤介质性能计算及软件开发

杨 洪，赵 鹏，余绍龙，王 帆，钱付平

（安徽工业大学a.能源与环境学院;b.建筑工程学院;c.计算机学院，安徽马鞍山243000）

基于Visual C#和MATLAB的纤维过滤介质性能计算及软件开发

杨 洪a，赵 鹏b，余绍龙b，王 帆c，钱付平b

（安徽工业大学a.能源与环境学院;b.建筑工程学院;c.计算机学院，安徽马鞍山243000）

基于Visual C#和MATLAB语言的混合编程，提出纤维过滤介质过滤性能计算的软件开发方案，实现对纤维过滤介质三维结构的重建及其过滤性能的计算。首先通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）成像获得过滤介质内部微观结构二维图像，提取过滤介质的几何参数，根据纤维半径和方向等参数重建过滤介质的三维结构，利用经典的经验公式计算过滤介质的压降和效率。以Visual Studio 2010为开发平台，Visual C#为开发语言，基于dll文件调用MATLAB程序，最终完成该软件的开发。与利用数值模拟或实验方法计算过滤介质性能相比，利用该软件计算过滤介质的过滤性能，方法简单、便捷。

Visual C#和MATLAB；纤维过滤介质；性能计算；软件开发

随着工业化和城镇化的深入推进，能源资源消耗持续增加，带来了严重的大气污染问题。其中粉尘会对大气环境、生产和人体健康造成有害的影响，尤其是可吸入颗粒物（PM2.5）会严重威胁人类的健康[1]。“十二五”规划纲要明确规定，将粉尘污染物排放标准提高至20～50 mg/m3[2]。《环境空气质量标准》(GB3095—2012)也对环境空气功能区的PM10及PM2.5的浓度限值做出了新的规定[3]。《大气污染防治行动计划》对2017年前大气污染治理给出了详细治理蓝图，并对各省市降低PM2.5浓度提出具体要求[4]。因此，净化和去除空气中悬浮颗粒物对保护环境和保障公众健康都具有重要意义。

袋式除尘器因其除尘效率高、运行性能稳定等优点广泛应用于多个领域[5]。影响袋式除尘器滤料特性的关键因素是过滤介质的内部微观结构，因此对于袋式除尘器而言，过滤介质内部的微观结构及其性能至关重要。传统纤维过滤介质微观结构性能计算的方法主要基于经验公式和数值模拟。如：于先坤[6]建立了具有一定曲率k的随机结构过滤介质模型，通过数值模拟研究了曲率对其过滤性能的影响，并与Davies经验关联式进行比较。徐芳芳等[7-8]基于VBA编程，创建三维随机排列纤维过滤介质模型，采用计算流体动力学(CFD)软件模拟计算其内部流场。方鑫等[9]对布袋除尘中气固两相流模拟，将计算域内的滤料纤维介质简化为一系列的圆柱体错位排列在流场中间，并进行数值计算。Lux等[10]及Delisée等[11]利用X射线对木基纤维材料进行显微成像，并对三维图像进行处理，得到性能参数等微观结构信息。朱小洁[12]基于SEM获取纤维过滤介质内部微观断面结构的SEM图像，通过MATLAB提取纤维断面边缘信息，定义纤维的走向和弯曲，结合MATLAB与Gambit重建过滤介质的三维结构模型并对其过滤特性影响的CFD-DEM模拟研究，与经验模型的结果进行比较。然而经验公式的计算基于单纤维理论，数值模拟研究在建模的过程中通常将过滤介质模型简化处理。而基于真实结构过滤介质的数值模拟具有专业性强、计算时间长、代价高、不易操作等缺点。

本文在传统过滤介质性能计算的基础上提出软件化的计算方式，以实际纤维过滤介质微观结构的SEM图像为基础，通过MATLAB对其进行图像处理，重建纤维过滤介质的三维结构。将压力损失及过滤效率的经验公式在MATLAB的M文件中编写为代码，对过滤介质的过滤性能进行计算。并基于Visual C#和MATLAB语言的混合编程，提出纤维过滤介质性能计算软件的开发方案，由此计算纤维过滤介质的过滤性能，为优化过滤介质结构提供理论基础。

1 基于图像处理的纤维过滤介质三维结构重建

对纤维过滤介质三维结构重建基于真实过滤介质的SEM图像，如图1。图像的分辨率直接影响图像处理的结果。SEM成像越清晰，重建出结构模型的复原度越高；SEM成像模糊，则重建出来的效果越差且过滤介质结构参数也会改变。图1的分辨率为696×694。

1.1 纤维过滤介质三维结构重建

通过MATLAB imread函数读取过滤介质微观结构SEM图像信息，并在M文件中编写图像处理的程序，重建过程如图2。图2中过程①对图像进行二值化处理，本文采用固定阈值法，结果见图2。过程②是对二值化处理图进行中心线提取，图像经二值化处理后，所有像素点由0和1两个值表示（0表示的是纤维，1表示的是孔隙）。通过8个方向检测，将相同值的像素点联通成区域，将联通区域的中心点连接成线，即中心线。过程③对已经存储纤维中心线上的单个像素点进行三维结构模型的重建，以该像素点为圆心，根据统计的半径值及纤维的方向，经旋转后的图像就是这个像素点的三维重建图像。过程④过滤介质整体的三维结构重建是所有像素点三维重建的集合，利用这种三维重建的方法可将整个单层纤维完整的重建出来，并保存其信息。

1.2 纤维过滤介质微观结构参数提取

纤维过滤介质的微观结构参数主要有孔隙率(ε)、填充密度(α)、平均直径(df)等，通过经验公式计算纤维过滤介质性能与过滤介质的填充密度和平均直径有关。通过二值化后的图像获得过滤介质的孔隙率及平均直径，再由孔隙率得到填充密度。

1.2.1 填充密度

填充密度是反映过滤介质最重要的结构参数之一。由于过滤介质微观结构SEM图像是由多个像素点组成，图像经二值化处理后，其孔隙率为黑色区域与整个区域像素点所占比例，提取的孔隙大小统计如图3所示。

图3中，横坐标表示组成区域的像素点个数；纵坐标表示该孔隙区域面积个数的对数值。图像大小为696×694。计算孔隙率的表达式为

其中：A1，A2，…，An分别表示每个联通区域的面积（以像素点的数目表示）；N1，N2,，…，Nn分别表示孔隙面积为Ai的区域的个数。

对图1所示实例计算得纤维孔隙率ε=0.555，则过滤介质填充密度为α=1-ε=0.445。

1.2.2 平均直径

在图2的过程③，即中心线提取过程中，保存了每根纤维直径大小。由于每根纤维的直径大小都不同，并将直径像素点个数转化为以µm为单位的大小，提取的纤维直径分布如图4所示。对纤维直径进行加权平均计算，即

其中：d1，d2，…，dn分别表示单根纤维的直径；M1，M2，…，Mn分别表示纤维直径为di的纤维的个数。

对于图1所示实例计算得纤维平均直径df=0.89 μm。

1.3 纤维过滤介质重建结构与实际结构的关联性

本文以实际过滤介质内部微观结构图像为基础重建过滤介质，考察重建过滤介质结构与实际过滤介质结构的关联性，比较重建过滤介质结构与实际过滤介质结构弯曲、走向、空间分布、纤维直径等因素。纤维的弯曲、走向及每根纤维的直径是根据实际模型生成的，与实际过滤介质中的纤维分布基本一致。图5比较了局部实际过滤介质结构的与重建过滤介质结构中纤维的空间分布。

由图5可知：纤维在过滤介质中的分布均是随机的，呈现无规则性；重建过滤介质与实际过滤介质纤维的弯曲、走向及每根纤维的直径基本一致，因此其排列结构十分接近，进一步说明了重建过滤介质结构与实际结构的关联性。

2 纤维过滤介质过滤性能计算

基于经验公式计算纤维过滤介质的过滤性能，利用MATLAB根据压力损失与过滤效率的经验公式计算迎面风速对压力损失的影响曲线及不同迎面风速下颗粒物直径对过滤效率的影响曲线。

2.1 压力损失的理论计算

根据达西(Darcy)定律，一般纤维过滤介质的洁净过滤压力损失可以表示为空气黏度(μ,Pa⋅s)、过滤介质厚度(t,μm)、气体迎面风速(v,m/s)、纤维平均直径(df,μm)材料填充密度(α,%)的函数[13]：

其中：Δp表示压力损失；f(α)表示无因次压力损失，本文选择3种无因次压力损失 f(α)进行比较，如表1所示[13]。迎面风速对压力损失的影响曲线如图6。

2.2 过滤效率理论计算模型

过滤介质对颗粒的捕集主要依赖于布朗扩散、直接拦截和惯性碰撞3种机理的综合作用，为了预测单纤维的过滤效率（Single Fiber Efficiency，SFE，E∑），许多学者对此进行了深入研究。考虑以上各种捕集机理联合作用时，单纤维的捕集效率为[12]

其中：ED，ER和EI分别表示扩散效率、拦截效率及惯性碰撞效率，其经验公式分别如表2[12]。不同迎面风速下颗粒物直径对过滤效率的影响曲线如图7。

表1 无因次压力损失公式Tab.1 Dimensionless pressure loss formula

表2 不同类型的效率公式Tab.2 Different types of efficiency formula

3 基于Visual C#和MATLAB混合编程的软件开发

3.1 Visual C#和MATLAB混合编程

纤维过滤介质性能计算软件通过读取纤维过滤介质SEM图像，对其进行三维结构重建，并提取过滤介质几何参数（填充密度和平均直径），通过获取的几何参数，对纤维过滤介质过滤性能进行理论计算（即经验公式计算），得到其压降和效率曲线。

C#具有强大的界面功能，可用于开发人机交互界面，MATLAB计算能力突出，用于进行复杂的图像处理算法，故采用C#与MATLAB混合编程方式实现纤维过滤介质性能计算软件的开发。基于C#和MATLAB的混合编程步骤如图8所示。

3.2 纤维过滤介质结构重建及其性能计算软件结构

软件系统分为过滤介质三维结构重建、过滤介质参数提取和过滤性能计算3大模块。过滤介质三维结构重建模块通过读取过滤介质结构的SEM图片，经过图像处理重建过滤介质微观三维结构；过滤介质参数提取模块可得到过滤介质的结构参数即填充密度和平均直径，以及孔隙面积统计图和纤维直径统计图；过滤性能计算模块通过输入过滤过程的环境及颗粒参数可得到过滤介质的压力损失与过滤效率曲线。

根据3大模块，可以很方便地进行过过滤介质的性能计算。用户通过基于C#开发的界面导入SEM图并输入参数数据，由结果通过C#程序界面输出。纤维过滤介质性能计算软件的可视化界面如图9所示，其左边为参数输入，右边为结果输出。

4 结 论

利用MATLAB和Visual C#混合编程可开发纤维过滤介质性能计算软件，实现以下功能：

1)对纤维过滤介质微观结构进行三维结构重建，重建纤维的空间分布与实际情况基本一致，表明重建过滤介质结构与实际结构具有很好的关联性；

2)提取纤维过滤介质结构的关键参数信息，如：填充密度、平均直径，可利用经典的经验公式计算其压降和过滤效率；

3)该软件实现过程简单、便捷。

[1]周欢,李从举.过滤粉尘用纺织材料的发展现状[J].产业用纺织品,2011,244(1):1-6.

[2]中华人民共和国国务院.重点区域大气污染防治“十二五”规划[Z].2012.

[3]中华人民共和国环境保护部,国家质量监督检验检疫总局.GB 3095—2012,环境空气质量标准[S].北京：中国环境科学出版社,2012.

[4]中华人民共和国国务院.大气污染防治行动计划[Z].2013.

[5]王丹丹,钱付平,吴显庆,等.袋式除尘器气流分布均匀性测试与数值模拟[J].安徽工业大学学报：自然科学版,2013,30(3): 343-349.

[6]于先坤.颗粒物在纤维过滤介质中过滤特性的模拟研究[D].马鞍山：安徽工业大学,2012

[7]徐芳芳,付海明,雷泽明,等.三维纤维过滤介质压力损失数值模拟[J].东华大学学报,2012,6(38):745-749.

[8]徐芳芳.纤维材料过滤特性的数值模拟[D].上海：东华大学,2012.

[9]方鑫,李珊红,李彩亭,等.布袋过滤除尘中气固两相流的格子Boltzmann模拟[J].环境工程学报,2013,5(7):1883-1888.

[10]Lux J,Delisée C,Thibault X.3D characterization of wood based fibrous materials:an application[J].Image Analysis&Stereology,2006,25(1):25-35.

[11]Delisée C,Lux J,Malvestio J.3D Morphology and permeability of highly porous cellulosic fibrous material[J].Transport in Porous Media,2010,8(3):623-636.

[12]朱小洁.纤维过滤介质结构模型的三维重建及其过滤特性的数值模拟[D].马鞍山：安徽工业大学,2013.

[13]钱付平,王海刚,陈光.表面覆膜多层复合纤维滤料过滤性能的数值研究[J].环境科学学报,2010,30(12):2393-2398.

责任编辑：丁吉海

Performance Calculation and Software Development for the Fibrous Media with Visual C#and MATLAB

YANG Honga,ZHAO Pengb,YU Shaolongb,WANG Fanc,QIAN Fupingb
(a.School of Energy and Environment;b.School of Civil Engineering andArchitecture;c.School of Computer Science and Technology,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243000,China)

A performance calculation software of the fibrous Amedia based on the mixed programming of Visual C#and MATLAB was developed,which can reconstruct the 3D model of the fibrous media and calculate its filtration performance.Firstly,2D image of the microstructure was obtained by Scanning Electron Microscope(SEM), and the geometrical parameters of fibrous media are extracted,3D structure was reconstructed with parameters of diameter and direction,and the pressure drop and efficiency of the fibrous media was calculated with classical empirical correlation.The software was developed by using Visual Studio 2010 as the development platform,Visual C#as the development language,calling MATLAB program based on the dll document.Compared with methods of numerical simulation or experimental method,it is simple and convenient to calculate the filtration performance of the fibrous media by this software.

Visual C#and MATLAB;fibrous media;performance calculation;software development

X701.2

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.02.016

发稿日期:2014-06-06

国家自然科学基金项目(51076001);安徽省科技攻关项目(1301042113);安徽工业大学研究生创新研究基金项目(2013034)

杨洪(1991-),女,安徽庐江人,硕士生,研究方向为大气污染物控制与防治。

钱付平(1974-),男,安徽枞阳人,博士,教授,研究方向为气-固两相流动及大气污染物控制与防治。

1671-7872(2015)-02-0175-06