1、前言
　　據有關部門監測顯示,中國48.1%的城市空氣質量處于中度或重度污染,顆粒物仍是影響中國空氣質量的首要污染物。目前中國大多數城市人口長期生活在可吸入顆粒物超標的空氣環境中,人口超過百萬的大型城市,空氣中二氧化硫和顆粒物超標比例高,空氣質量達標比例低
　〔1〕另一方面,現代社會中,人們幾乎有90%的時間是在室內度過的
　〔2〕,為了提高室內空氣品質,減少室內污染物水平,目前普遍采用的一種方式就是引入更多的室外新鮮空氣。正是從這個意義上看,室外空氣質量在一定程度上決定了室內空氣質量水平,而顆粒物又是影響室內空氣品質的重要因素之一。因此,國外早在二十多年前就開始了對顆粒物的研究,室內顆粒物的濃度及其影響因素也就成了一個重要的研究方向及課題。由于室內顆粒物絕大部分是隨著空調通風系統的新風進入室內的,因此,新風質量在很大程度上決定了室內空氣品質,常規空調系統的空氣過濾設備是很難控制上述微細顆粒物進入室內。同時,空調系統本身也需要好的過濾器,有的中央空調系統中,過濾器僅為“初效”,或根本沒有過濾器,用過幾年后,系統內部不堪入目,甚至還會導致空調送風口周圍出現黑漬,破壞中央空調的形象
　〔3〕納米材料光催化技術盡管是目前最具發展前景的室內空氣凈化技術,但是它不能凈化空氣中的懸浮物及細微顆粒物。而近幾年發展起來的駐極體過濾技術卻能有效改善常規過濾器的性能,防止微細顆粒物隨著空調系統的新風進入室內,而且如果再綜合利用納米光催化技術(如表面噴涂一些納米TiO2)還可以有效抑止甲苯、甲醛、氨氣、揮發性有機物以及微生物等室內主要污染物對人們健康的威脅。纖維過濾器中的纖維一般是永久荷電,和其它類型過濾器比較,靜電作用會增強過濾效率,而且纖維過濾器還具有較低的重量和較好的完整性。和所有類型過濾器一樣,衡量過濾器性能優劣的兩個主要指標是捕集效率和壓降。而且,過濾器的使用壽命往往都是以過濾器的終壓降來衡量的。如中華人民共和國國家標準潔凈廠房設計規范GBJ50073-2001
　〔4〕中規定,高效空氣過濾器的壓降達到初始壓降的兩倍時則應予以更換。所以從這個意義上來看,準確地預測纖維過濾器的壓降對于過濾器的使用是非常重要的。
　　而且,準確地預測纖維過濾器內氣相流場對于進一步研究其內部微細顆粒的運動也具有積極意義。但是通過實驗來研究纖維過濾器結構尺寸對壓降的影響,費時費力。另一方面,隨著計算機技術的飛速發展,國外已有部分學者利用計算流體力學(CFD)技術研究纖維過濾器內部氣固兩相流場〔5-10〕,CFD計算和實驗比較,明顯的優點在于可以在相對便宜的情況下改變流動和結構參數同時可以獲得比較準確的結果。但是,絕大部分研究者在計算時都將過濾器簡化成一種規則排列的纖維結構,其結果和實際情況會存在一定的差距。實際上,纖維過濾器內部是一種多孔介質(porous medium),而且這些纖維大都為一種隨機的排列結構。
　　本文利用數值計算作為工具并基于多孔介質模型來研究結構尺寸及操作參數和氣相流場的關系。在此基礎上得出一個能研究纖維過濾器內壓力場和速度場的新方法,該方法的探索將有助于優化纖維過濾器的結構設計。

2、CFD模型
　　2.1　多孔介質模型
　　多孔介質模型采用經驗公式定義多孔介質上的流動阻力。從本質上說,多孔介質模型就是在動量方程中增加了一個代表動量消耗的源項,Sj。該源項可以模擬多孔介質的作用。Sj由兩部分組成:一個是粘性損失項,一個是慣性損失項　　

Gebart〔12〕則通過二維的數值模擬認為纖維過濾器中的這種粘性阻力系數實際上包括平行于纖維的粘性阻力系數和垂直于纖維的粘性阻力系數,即:

　　考慮到Davies〔13〕提出的關聯式是由實驗得出的,所以本文基于該關聯式反推出駐多孔介質內的粘性阻力系數。由式(7),可以計算出不同SVF下過濾器的初始壓降,這樣便可通過Darcy定律得到多孔介質內的粘性阻力系數,即:

　　2.3　纖維過濾器模型
　　圖2所示為本文計算的纖維過濾器模型,圖中t為過濾器深度,為了計算需要,將進口區域和出口區域進行了適當的延長。
　　2.4　網格劃分
　　本文計算時計算網格圖參見圖2。計算機配置為Pentium(R)D2.80 GHz,內存為1 G。殘差設定為10-4。評價計算結果是否收斂時,需要考慮殘差和監控計算變量(如速度、壓力)的變化兩方面因素。如果計算結果僅滿足殘差收斂是不夠的,在這種情況下有的模擬算例會出現偽收斂的情況。只有在同時滿足殘差收斂和監控計算變量結果也穩定不變的情況下,計算結果才會真正的收斂。

3、結果與討論
　　3.1　不同填充密度過濾器內靜壓分布
　　圖3給出了不同填充密度時過濾器內靜壓沿器內軸線分布情況,圖中可以看出,器內靜壓隨過濾器深度線性變化。其進口和出口靜壓差即為該填充密度下過濾器的初始壓降。圖4為不同填充密度時過濾器的初始壓降變化,圖中表明:隨填充密度的增加,初始壓降增加明顯。圖5為不同填充密度時過濾器內靜壓的分布,圖中可以看到,不同填充密度下,過濾器內靜壓分布情況類似,而且靜壓沿y方向基本不發生變化。需要說明的是,在利用多孔介質模型計算過濾器內流場時,過濾器的滲透率α的設置至關重要。本文的α值是基于Davies〔13〕的關聯式得到的,盡管該關聯式是基于二維的cell model而得到,但該關聯式已被眾多研究者作為實驗數據采用。不過,對于實際應用中的纖維過濾器,α值在各個方向上是不同的。

　　3.2　相同填充密度不同纖維排列方式時過濾器內流場
　　通過上一節的分析,利用多孔介質模型對纖維過濾器內部流場進行計算時,由于計算時僅僅給定過濾器的填充密度,并不去關心過濾器內部纖維的排列情況。而對于實際應用的纖維過濾器,其內部纖維的排列將會嚴重影響過濾器的氣固分離特性。為了觀察多孔介質模型在研究過濾器流場的適應性,本文還比較了相同填充密度下不同纖維排列方式時駐極體內部的壓力場和速度場。圖6給出了填充密度為31%時2種隨機排列方式過濾器了的速度場。
　　圖中可以看到,排列方式不同,盡管填充密度相同,內部速度場明顯不同,而且通過過濾器的初始壓降也不同。作者認為,造成這種區別的原因是由于兩種不同纖維排列過濾器的滲透性能α的不同。而由Darcy定律,滲透性的不同必然會導致過濾器內部速度場和初始壓降的不同。正是從這個意義上來看,過濾器滲透性和捕集效率一樣是反映過濾器性能的重要參數。而多孔介質模型由于在計算時需要給定過濾器的滲透性(粘性阻力系數K=1/α),因此,如果粘性阻力系數選擇得當,多孔介質可以用于計算過濾器的氣相流場。值得指出的是,在研究過濾器內部發展的氣固兩相流動時,還需要綜合上述兩種方法。這些工作正在進行中。

4、結論
　　基于多孔介質模型對二維纖維過濾器內氣相流場進行了數值計算,得到了不同填充密度(SVF)和過濾器深度時纖維過濾器內的靜壓分布。另外,為了觀察多孔介質模型在研究過濾器流場的適應性,本文還計算了不包括多孔介質模型時,相同填充密度不同纖維排列纖維過濾器內的氣相流場。結果表明:基于多孔介質模型時,靜壓沿著過濾器深度方向線性變化,填充密度越大,初始壓降也越大。因此,只要多孔介質的粘性系數選擇合理該模型可以應用在計算過濾器的氣相流場的場合。但是,在應用多孔介質模型計算過濾器內部流場時,沒有考慮過濾器內部纖維排列方式對其內部流場的影響。本文后一部分的計算表明,過濾器內部纖維的排列行為將顯著影響過濾器的流場和初始壓降。因此如果要進一步研究過濾器內復雜的氣固兩相流動行為,還需進行深入研究。