1、前言
　　目前，全球的環境日益惡化，與人類息息相關的空氣環境更是如此，已經嚴重地危及到人類的健康。同時，現代高科技的某些關鍵部分對環境的凈化要求極高。因此，現代社會需要具有高效、低阻等優點的空氣過濾器。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。而纖維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。
　　德國學者Albrecht和Kaufmann是最早對過濾器進行初步研究的，他們針對纖維墊開始氣溶膠過濾機制的理論探討。此后，國際上許多學者先后對過濾器的性能進行了試驗和數值研究，不過這些研究大多建立在二維過濾器模型基礎之上。但是為了找出過濾器結構和過濾器介質過濾性能之間的關系，這些研究還是不夠的。本文在上述研究的基礎上，對三維交錯排列的空氣過濾器內部氣相流場進行數值模擬，計算不同運行條件下過濾器的阻力及纖維的阻力系數，以期對優化空氣過濾器結構做一些有益的探索。

　　2、空氣過濾器阻力的經驗模型
　　在低流速，小雷諾數的情況下，多孔介質兩端的阻力分布服從達西(Darcy)定律，其中K為達西常數：

　　3、數值計算模型
　　圖1為本文計算模型及邊界條件。假定空氣以速度進口進入計算區域，以壓力出口邊界條件離開計算區域。計算區域的進口距過濾器第一排纖維長度為L，計算時為了保證氣流在過濾器管道內充分發展，文中L取10 df。對于計算區域的邊界，本文采用了對稱邊界條件。纖維表面處采用無滑移邊界條件。本文計算所采用的網格的單元形狀選擇Hex/wedge，劃分網格方式選擇Cooper，網格數386035。計算時將殘差設定為10-5。

　　4、結果與分析
 　　4.1流場分析
　　圖2為過濾器內某一截面的流場分布。從該圖可以看出：空氣流過纖維時，在纖維的前壁速度減小，而在各纖維之間，速度都出現增加的趨勢，但是由于纖維是交錯排列的，所以與平行排列時不同的是在柱狀纖維的尾部，沒有形成明顯的旋渦。而且從圖中還可以看到：從過濾器入口的第一排纖維到最后一排纖維之間的流場結構基本呈周期性變化。

　　4.2、阻力
　　阻力是過濾器部分進出口的壓差，它是反映過濾器性能的一個重要參數。圖3給出了不同迎面風速下過濾器阻力數值計算值和經驗模型計算值。從該圖可以看出，隨著迎面風速的增加，過濾器的阻力呈線性增加。本文數值計算值和Davies實驗關聯式吻合較好，誤差低于2%，而其他經驗公式預測值和實驗關聯式誤差較大。由此可以看出，本文的數值計算可以相當準確的預測空氣過濾器的阻力。

　　其中F為單位長度上纖維所受的阻力，可以通過對圓柱狀纖維表面所受到總應力的積分求得。
　　圖4為不同Re下纖維的阻力系數數值計算值、Tritton的經驗模型預測值及Dennis和Chang[12]的理論計算值。從圖4可以看出，數值計算值與經驗公式預測值及理論計算值吻合較好，而且從該圖還可以看出，在層流區域內(Re≤20)，纖維的阻力系數隨Re的增大而減小。

　　5、結論
　　本文利用數值計算技術對交錯排列空氣過濾器內部氣相流場進行了研究，所得結果如下：
　　(1)空氣在流經纖維時，在纖維的前壁速度減小，而在各纖維之間，速度都出現增加的趨勢，但是由于纖維是交錯排列的，所以在柱狀纖維的尾部幾乎沒有形成旋渦。從過濾器入口的第一排纖維到最后一排纖維之間的流場結構基本呈周期性變化。
　　(2)在預測過濾器阻力方面，數值計算結果和Daives的實驗關聯式吻合較好，誤差在2%以內，而除了Happel經驗模型以外，其它模型預測值和實驗關聯式誤差較大。數值計算結果也表明，隨著風速的增加，阻力呈線性增加。
　　(3)不同Re時阻力系數的數值計算值與經驗模型計算值吻合較好，并且在層流區域內，纖維的阻力系數隨Re的增大而減小。