纤维对 PM2.5过滤性能的影响
2016/04/27
随着我国工业化的迅速发展，在日常发电、工矿企业燃料燃烧、汽车尾气排放、吸烟的烟雾释放等过程中经过燃烧而排放的残留物中，存在可吸入颗粒物直径小于等于 2.5 μm（简称 PM2.5）的细颗粒物，由于其数量多、沉降速度较慢、比表面积大，可作为其他污染物的载体，富集有毒重金属、有机污染物、病菌、酸性氧化物等。颗粒物可损害呼吸功能，引起炎症、哮喘等呼吸系统疾病，使心脏病的患病率与死亡率增加，并具有潜在的致癌性，对人体健康和大气环境质量的影响很大[1]，因此研究如何有效去除 PM2.5 在工业生产和生活中有着十分重要的意义[2-4]。目前的相关研究表明，纤维过滤方法对于拦截 PM2.5 效果比较好，因此本文从单一纤维和纤维集合体两方面分别分析其对 PM2.5 过滤性能的影响。
国内外许多学者基于二维模型对纤维过滤介质中的纤维进行研究[5-7]，但实际纤维过滤介质的纤维则是三维随机分布。Baumgartner 等[8]对多相分散气溶胶粒子进行三维数值模拟，提出了过滤纤维上的沉积扩展的概念。Fotovati 等[9]通过 CFD 模拟方法对单纤维丝截面形状进行研究，并且分析其过滤性能。本文对单一纤维和集合体均采用三维建模。
其中，由于三角形截面纤维在过滤方面应用广泛[10-11]，因而对单一纤维建立不同尺寸的“Y”形截面和圆形截面的模型进行对比，分析不同单丝线密度、烟气流速和颗粒物浓度对 PM2.5 过滤性能的影响，并且得到 PM2.5 颗粒物的运动规律和烟气绕流纤维的速度分布规律。考虑到经典过滤理论中以圆形截面的纤维为研究对象，并且异形纤维体在建模中的复杂性，故采用圆柱纤维体，分析纤维体的线密度、孔隙率、颗粒浓度和抽吸速度对 PM2.5 过滤性能的影响。纤维集合体中的纤维随机分布，模拟其内部的气固两相流动，并且采用 Euler 法处理气相场，Lagrange 法处理离散颗粒场。将实验所得的数据与数值模拟结果进行对比，不仅可以验证数值模拟的可靠性和合理性，而且对今后过滤纤维的形状尺寸的选择和集合体内部结构的优化提供一定的参考依据，从而更进一步地提高过滤效率。
1 实验部分
1.1 单纤维丝的实验方法
将不同工况下的单纤维丝沿垂直气流方向固定在小支架上，在观测点位上每隔 1 min 在显微镜下对纤维丝进行拍照，将所拍摄的照片进行二值化处理，即将图像上的像素点的灰度值设置为 0 或255，每张图片的总像素值不变。若纤维丝被颗粒物附着，则对应点位的像素值发生变化。最后统计出颗粒物覆盖的黑点的像素数，将该数值比上纤维丝所占像素数即为颗粒物的覆盖率，可作为研究单纤维丝过滤性能的参考依据。
1.2 单纤维丝的实验工况
由于香烟燃烧过程中产生的烟气包含吸燃时的主流烟气气溶胶和阴燃（静燃）时的侧流烟气气溶胶，故实验采用烟气气溶胶颗粒，并且利用 ELPI对单支烟静燃时产生的颗粒物浓度进行了测定。其中卷烟纤维过滤嘴的三叶型纤维丝，两瓣细长型叶片交联处大多呈 120°夹角[12]，随机选取 20 根纤维丝，测量其内切圆和外接圆的直径，所得的不同尺寸的“Y”形单纤维丝如图 1 所示。将不同尺寸和线密度的单纤维丝分别置于不同颗粒物浓度和烟气流速的条件下进行实验，其实验工况如表 1 所示。有关单丝线密度有其专门定义，其物理意义是指一根 1000 m 长单丝的质量（g），单位为 tex。
1.3 单纤维丝实验结果
1.3.1 线密度对颗粒物过滤性能的影响 由图 2 可以看出，不同线密度的单纤维丝随着时间的增加，颗粒物的覆盖率相应增加，初期颗粒物覆盖率增长迅速，随着时间的累积，颗粒物覆盖率趋于稳定。在同一时间内，线密度为 0.27 tex 的纤维丝对颗粒物的拦截效率最好，单丝线密度越大，其颗粒物覆盖率越低。单丝线密度 0.27 tex 与 0.38 tex 的最大覆盖率的差值达到 36.7%，其中单丝线密度 0.27 tex在第 9 min 时的颗粒物覆盖率为 94.6%。单丝线密度 0.30 tex 与 0.33 tex 的变化趋势相仿，其中单丝线密度 0.30 tex 的颗粒物覆盖率略高于线密度 0.33tex。
1.3.2 颗粒物浓度对颗粒物过滤性能的影响 实验选取线密度为 0.27 tex 的单纤维丝，研究颗粒物浓度对颗粒物覆盖率的影响。颗粒物浓度为c1=2.40×108 个·cm?3、c2=2.2×108 个·cm?3、c3=1.31×108个·cm?3、c4=1.06×108个·cm?3。在c1和 c2条件下，实验进行 6 min 后纤维丝上颗粒物覆盖率基本达到 100%，故在图 3 中选取前 4.5 min的数据。由图 3 可以发现，颗粒物浓度越高覆盖率越大。c1 在 4.5 min 时颗粒物的覆盖率达到将近100%，在同一时刻，c4与 c1 的覆盖率相差近 70%。随着时间的增加，不同颗粒物浓度条件下颗粒物覆盖率都逐渐增加，而 c4条件下的纤维丝颗粒物覆盖率的增长仍旧比较缓慢，在第 9 min 时，c1、c2 和c3的颗粒物覆盖率都接近 100%。
1.3.3 烟气流速对颗粒物过滤性能的影响 实验
选取线密度为 0.38 tex 的单纤维丝，研究不同烟气流速对颗粒物覆盖率的影响（图 4）。在保持入口处颗粒物浓度一定的条件下，颗粒物覆盖率随着时间的增加而增加。在同一时刻下，烟气流速越快，颗粒物覆盖率越大。在第 9 min 时，烟气流速为 0.72m·s?1 时颗粒物覆盖率接近 95%。在前 3 min 内，不同烟气流速下颗粒物覆盖率处于快速增长阶段， 随后其增长缓慢并逐渐趋于稳定。由于烟气流速越大，颗粒物浓度的稳定性就越差，单纤维丝也越容易变形，因此速度变化对颗粒物覆盖率的影响逐渐减弱。
1.4 纤维集合体的实验方法
选取 4 种线密度单丝制成的不同孔隙率的滤棒为实验研究对象，每支滤棒长度为 100 mm，滤棒中纤维丝的规格分别为 2.4Y/32000、2.7Y/35000、3.0Y/32000 和 3.9Y/31000。采用恒速抽吸，气体流量为 60 ml·min?1，将滤棒分 4 段处理，每段长度12.5 mm；对于同一线密度的滤棒，每段质量偏差控制在±0.0015 g 以内，然后将 4 段空白滤棒用密封胶带密封，形成一段总长为 50 mm 滤棒，通过测量每段滤棒截留前后质量差值得到颗粒物在滤棒内的分布，并且通过测定颗粒物量，计算颗粒物的覆盖率，即纤维集合体的过滤性能。
1.5 纤维集合体的实验工况
通过改变实验中纤维集合体的线密度和滤棒孔隙率来测定影响纤维集合体过滤性能的因素。其中，通过测定样品测试腔放入样品所引起的样品测试腔气体容量的减少来精确测定样品的真实体积，从而确定滤棒孔隙率。表 2 为纤维集合体的实验工况。
1.6 纤维集合体实验结果
1.6.1 单丝线密度集合体对颗粒物过滤性能的影响 图 5 为孔隙率分别为 0.88、0.90 和 0.92 条件下，不同单丝线密度的纤维集合体对颗粒物截留率的影响Fig. 5 Influence of fiber linear destiny on particle coverage offiber assembly不同单丝线密度的纤维体对颗粒物截留率的影响。在同一孔隙率下，随着滤棒长度的增加，纤维体对颗粒物的截留率逐渐增加，并且最后趋于稳定；单丝线密度越大，纤维集合体对颗粒物截留率越低。其中，孔隙率为 0.88 的工况下纤维集合体对颗粒物的截留率最高。在滤棒长度为 40～50 mm 的区间内，颗粒物的截留率最大。单丝线密度越小的纤维集合体内纤维丝的总表面积越大，使得其与气溶胶颗粒物的接触概率越大。线密度越小的单纤维丝在滤棒内部的分布也更均匀，单纤维丝之间的间距更小，因此对颗粒物的有效拦截尺寸范围越大。
1.6.2 孔隙率对颗粒物过滤性能的影响 在单丝
线密度一定的条件下，研究孔隙率对颗粒物截留率的影响。由图 6 可以看出，当单丝线密度一定时，孔隙率越大，纤维之间的空间越大，纤维集合体对颗粒物截留的有效范围减小，其截留率越小。其中，线密度为 0.27 tex 的纤维集合体对颗粒物的截留率最高，过滤性能最好。根据文献[13]可知，纤维层过滤分为内部过滤和表面过滤。在内部过滤的过程中纤维先起主要作用，随后在滤料内部的纤维和粉尘的共同作用下，当纤维层达到一定的容尘量后，主要由纤维表面的粉尘层起过滤作用，此时即为表面过滤。由于烟气气溶胶之类的非固态颗粒物一旦接触纤维，容易黏附在纤维表面，纤维层的过滤过程基本为表面过滤。
2 数值模拟
2.1 单纤维丝模型的建立和求解方法
本文采用计算流体力学软件 Fluent 对纤维模型进行数值模拟计算。由于纤维过滤嘴过滤 PM2.5 的过程是非常复杂的，对单纤维丝模型做如下假设：
① 颗粒只受范德华力和曳力的作用；② 颗粒间不存在可压缩现象，其性质类似于固体颗粒，忽略颗粒间相互作用力对颗粒运动产生的影响；③ 忽略颗粒被截留后因反弹力可能逃离纤维表面；④ 忽略因颗粒沉积而导致流场变化对速度场和颗粒运动轨迹的作用。
根据实际过滤嘴内烟气气固两相流动的特点，模型设置为三维稳态、层流和不可压缩气固两相流动。对于不可压缩黏性流体，可用 N-S 方程来描述，并满足连续性方程和动量方程。
气固相间曳力是表征气固两相之间的相互作用和动量交换的特征参数，其大小与单颗粒的Reynolds 数 Rep、气体运动特性、气体的可压缩性、气体与颗粒温度的差异、颗粒的形状、绕流壁面的存在及颗粒群的浓度等因素有关[14]。
2.2 单纤维丝模型尺寸和边界条件
简化的单纤维丝“Y”截面尺寸如图 8 所示，两瓣叶片间的夹角为 120°，模型模拟区域如图 9所示。
模型计算区域的尺寸为 600 μm×180 μm×160μm（长×宽×高），为保证捕集区域进口处气流均匀，释放颗粒时不影响单纤维丝附近的流场，因此在捕集区域前设置长度为 240 μm 的入口段。捕集区域后设置长度为 160 μm 的出口段以保证颗粒绕流单纤维丝尾部不受区域的限制。单纤维丝长度l=100 μm，为获得最大的有效捕集面积，将单纤维丝垂直气流方向放置。入口面设置为速度进口，出口面设置为出流边界，上下边界采用对称边界，其中，单纤维丝表面设置为无滑移壁面，圆形截面和“Y”截面在模拟计算时设置相同的边界条件。考虑到“Y”形截面单纤维丝表面几何特征复杂，故采用非结构网格，网格的基本尺度为 5 μm。颗粒平均粒径为 0.33 μm，颗粒密度为 800 kg·m?3，气体密度 1.225 kg·m?3，时间步长为 5×10?5s。文中PM2.5颗粒平均粒径为 0.33 μm，根据纤维过滤理论，布朗扩散作用对粒径为 0.2 μm 以上的粒子作用不大[16]，所以模拟时纤维捕集颗粒主要以直接拦截和惯性碰撞为主要捕集机制。
2.3 “Y”形截面和圆形截面单纤维丝的模拟结果分析
模拟直径为 24.49 μm 的“Y”形截面和圆形截面的单纤维丝对颗粒物截留率的作用，其模拟结果如图 10 所示，被捕集的颗粒物数量随着时间的增加而增加。在模拟时间相同的条件下，“Y”形截面的单纤维丝对颗粒物捕集的数量远多于圆形截面的单纤维丝。“Y”形截面的单纤维丝在 t5 时刻的截留率基本达到最大值。
2.4 纤维集合体模型的建立和求解方法
纤维集合体是一种由大量的单纤维丝填充而成的疏松的多孔介质，内部结构复杂。在建模过程中采用随机算法产生三维的纤维集合体微观结构，单纤维丝为圆柱体，忽略纤维的弯曲和集合体受挤压而造成的变形。
由于颗粒尺寸很小，且 Re＜1，纤维集合体微观通道内的流动模型可作稳态、层流和不可压缩处理。不考虑惯性的影响，流速和压降呈线性关系[17]，因此可以采用有限元法[18] 求解连续性方程和动量方程。
计算模型做如下假设：① 颗粒不受静电力、重力、曳力等力的作用；② 忽略颗粒之间相互作用对其运动的影响，颗粒一旦碰触纤维即被截留；
③ 颗粒之间不存在可压缩现象；④ 忽略颗粒因反
弹力可能逃离纤维表面而不被截留。
2.5 纤维集合体模型尺寸和边界条件
模拟计算过程中将计算区域设置为对称边界条件，入口段为速度入口边界条件，出口段为压力出口边界条件，纤维表面为无滑移边界条件。为保证进入纤维集合体的气流均匀，防止出口回流，将入口段长度设置为 300 μm，出口段为 50 μm。纤维集合体中单纤维丝的截面直径为 24.49 μm，孔隙率为 0.9，纤维集合体附近的网格大小不超过 8 μm，纤维集合体的模型如图 11 所示，网格分布如图 12所示。
3 实验与数值模拟结果对比分析
3.1 单纤维丝实验与数值模拟结果对比
将不同线密度、颗粒物浓度和烟气流速工况下“Y”形截面单纤维丝的数值模拟结果与实验数据进行对比，可以发现实验与数值模拟的结果相吻合。如图 13（a）所示，选取颗粒物的直径为 0.33 μm，在不同线密度的条件下，线密度越大，单纤维丝对颗粒物的截留率越低，线密度为 0.27 tex 的纤维比线密度为 0.38 tex 的纤维对颗粒物截留率最大高23.52%。在考虑颗粒物浓度对截留率影响的作用时，选取线密度为 0.27 tex 的单纤维丝，烟气入口速度 0.36 m·s?1。颗粒物浓度为 2.40×108个·cm?3和 2.20×108 个·cm?3 时，“Y”形截面的单纤维丝对颗粒物的截留率在实验进行到 5 min 左右就基本达到 100%，因此在这两种情况下将实验时间缩短为 4.5 min，且每隔 0.5 min 取一次数据。由图 13（b）可知，颗粒物截留率随着捕集时间的增加而增加，而后逐渐趋于稳定，增长缓慢。在同一时刻，颗粒物浓度越高，截留率越大。
在考虑不同烟气流速对颗粒截留率的影响时，选取线密度为 0.38 tex，烟气入口颗粒物浓度为1.31×108 个·cm?3
。由图 13（c）可以发现，在同一时刻下，烟气流速越大截留率越大，因为气体的流速增加，含尘气流绕流流经纤维丝，当黏性不足以维持颗粒保持原先流线轨迹时，颗粒就容易从气体流线轨迹偏离，惯性碰撞效应加强，因而截留率增加[19-20]。颗粒物之间的碰撞随着气流速度的增加而更加剧烈，颗粒物凝并作用加强，有利于捕集颗粒。由于数值模拟过程中颗粒源来流均匀，且颗粒间相互干扰作用小，而实验过程中由于气溶胶颗粒在运动过程中会发生碰撞，因此数值模拟结果中颗粒拦截率随参数变化而振荡变化。
3.2 纤维集合体实验与数值模拟结果对比
由图 14 和图 15 可以发现，纤维集合体的实验数据与数值模拟的结果基本吻合，孔隙率相同的滤棒中，线密度越大，纤维集合体对颗粒物的截留率越低。由于线密度越大，曲线的弯曲程度越小，因而捕集效率越低。根据图中曲线的趋势可以发现，颗粒物截留率在滤棒前段区域增长速率较快，后段部分的截留率逐渐趋于稳定，数值模拟的结果比实验数据略大。在同一单丝线密度的条件下，孔隙率越大，纤维集合体对颗粒物截留率越低。
4 结 论
本文通过实验和数值模拟对比的方法研究纤维对 PM2.5颗粒物过滤性能，首先对“Y”形截面和圆形截面的单纤维丝对颗粒物截留率的作用进行分析，进而对纤维集合体的过滤性能对比分析，得到以下结论。
（1）对于“Y”形截面的单纤维丝，在同一烟气流速和颗粒物浓度下，单丝线密度越大，同一时刻单纤维丝对颗粒物截留率越低；在同一单丝线密度和烟气流速下，颗粒物浓度越大，同一时刻单纤维丝对颗粒物截留率越高；在同一单丝线密度和颗粒物浓度下，烟气流速越大，同一时刻单纤维丝对颗粒物截留率越高。
（2）通过实验对比“Y”形截面和圆形截面的单纤维丝，同一时刻下“Y”形截面的单纤维丝对颗粒物截留率更高，对 PM2.5 颗粒物的过滤性能更好。
（3）对于纤维集合体，在孔隙率相同的情况下，单纤维丝的线密度越大，纤维集合体对颗粒物的截留率越低；在同一单丝线密度的情况下，孔隙率越大，纤维集合体对颗粒物的截留率越低；其中，单丝线密度为 0.27 tex 和孔隙率为 0.88 的工况下，纤维集合体对颗粒物的捕集性能最好。
通过以上的对比分析，可以对如何高效过滤PM2.5提供更好的依据和理论指导。由于数值模拟结果与实验数据相吻合，且实验操作复杂、困难性大，可以利用数值模拟方法更加有效地对 PM2.5 进行更深入的研究。
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其中，由于三角形截面纤维在过滤方面应用广泛[10-11]，因而对单一纤维建立不同尺寸的“Y”形截面和圆形截面的模型进行对比，分析不同单丝线密度、烟气流速和颗粒物浓度对 PM2.5 过滤性能的影响，并且得到 PM2.5 颗粒物的运动规律和烟气绕流纤维的速度分布规律。考虑到经典过滤理论中以圆形截面的纤维为研究对象，并且异形纤维体在建模中的复杂性，故采用圆柱纤维体，分析纤维体的线密度、孔隙率、颗粒浓度和抽吸速度对 PM2.5 过滤性能的影响。纤维集合体中的纤维随机分布，模拟其内部的气固两相流动，并且采用 Euler 法处理气相场，Lagrange 法处理离散颗粒场。将实验所得的数据与数值模拟结果进行对比，不仅可以验证数值模拟的可靠性和合理性，而且对今后过滤纤维的形状尺寸的选择和集合体内部结构的优化提供一定的参考依据，从而更进一步地提高过滤效率。
1 实验部分
1.1 单纤维丝的实验方法
将不同工况下的单纤维丝沿垂直气流方向固定在小支架上，在观测点位上每隔 1 min 在显微镜下对纤维丝进行拍照，将所拍摄的照片进行二值化处理，即将图像上的像素点的灰度值设置为 0 或255，每张图片的总像素值不变。若纤维丝被颗粒物附着，则对应点位的像素值发生变化。最后统计出颗粒物覆盖的黑点的像素数，将该数值比上纤维丝所占像素数即为颗粒物的覆盖率，可作为研究单纤维丝过滤性能的参考依据。
1.2 单纤维丝的实验工况
由于香烟燃烧过程中产生的烟气包含吸燃时的主流烟气气溶胶和阴燃（静燃）时的侧流烟气气溶胶，故实验采用烟气气溶胶颗粒，并且利用 ELPI对单支烟静燃时产生的颗粒物浓度进行了测定。其中卷烟纤维过滤嘴的三叶型纤维丝，两瓣细长型叶片交联处大多呈 120°夹角[12]，随机选取 20 根纤维丝，测量其内切圆和外接圆的直径，所得的不同尺寸的“Y”形单纤维丝如图 1 所示。将不同尺寸和线密度的单纤维丝分别置于不同颗粒物浓度和烟气流速的条件下进行实验，其实验工况如表 1 所示。有关单丝线密度有其专门定义，其物理意义是指一根 1000 m 长单丝的质量（g），单位为 tex。
1.3 单纤维丝实验结果
1.3.1 线密度对颗粒物过滤性能的影响 由图 2 可以看出，不同线密度的单纤维丝随着时间的增加，颗粒物的覆盖率相应增加，初期颗粒物覆盖率增长迅速，随着时间的累积，颗粒物覆盖率趋于稳定。在同一时间内，线密度为 0.27 tex 的纤维丝对颗粒物的拦截效率最好，单丝线密度越大，其颗粒物覆盖率越低。单丝线密度 0.27 tex 与 0.38 tex 的最大覆盖率的差值达到 36.7%，其中单丝线密度 0.27 tex在第 9 min 时的颗粒物覆盖率为 94.6%。单丝线密度 0.30 tex 与 0.33 tex 的变化趋势相仿，其中单丝线密度 0.30 tex 的颗粒物覆盖率略高于线密度 0.33tex。
1.3.2 颗粒物浓度对颗粒物过滤性能的影响 实验选取线密度为 0.27 tex 的单纤维丝，研究颗粒物浓度对颗粒物覆盖率的影响。颗粒物浓度为c1=2.40×108 个·cm?3、c2=2.2×108 个·cm?3、c3=1.31×108个·cm?3、c4=1.06×108个·cm?3。在c1和 c2条件下，实验进行 6 min 后纤维丝上颗粒物覆盖率基本达到 100%，故在图 3 中选取前 4.5 min的数据。由图 3 可以发现，颗粒物浓度越高覆盖率越大。c1 在 4.5 min 时颗粒物的覆盖率达到将近100%，在同一时刻，c4与 c1 的覆盖率相差近 70%。随着时间的增加，不同颗粒物浓度条件下颗粒物覆盖率都逐渐增加，而 c4条件下的纤维丝颗粒物覆盖率的增长仍旧比较缓慢，在第 9 min 时，c1、c2 和c3的颗粒物覆盖率都接近 100%。
1.3.3 烟气流速对颗粒物过滤性能的影响 实验
选取线密度为 0.38 tex 的单纤维丝，研究不同烟气流速对颗粒物覆盖率的影响（图 4）。在保持入口处颗粒物浓度一定的条件下，颗粒物覆盖率随着时间的增加而增加。在同一时刻下，烟气流速越快，颗粒物覆盖率越大。在第 9 min 时，烟气流速为 0.72m·s?1 时颗粒物覆盖率接近 95%。在前 3 min 内，不同烟气流速下颗粒物覆盖率处于快速增长阶段， 随后其增长缓慢并逐渐趋于稳定。由于烟气流速越大，颗粒物浓度的稳定性就越差，单纤维丝也越容易变形，因此速度变化对颗粒物覆盖率的影响逐渐减弱。
1.4 纤维集合体的实验方法
选取 4 种线密度单丝制成的不同孔隙率的滤棒为实验研究对象，每支滤棒长度为 100 mm，滤棒中纤维丝的规格分别为 2.4Y/32000、2.7Y/35000、3.0Y/32000 和 3.9Y/31000。采用恒速抽吸，气体流量为 60 ml·min?1，将滤棒分 4 段处理，每段长度12.5 mm；对于同一线密度的滤棒，每段质量偏差控制在±0.0015 g 以内，然后将 4 段空白滤棒用密封胶带密封，形成一段总长为 50 mm 滤棒，通过测量每段滤棒截留前后质量差值得到颗粒物在滤棒内的分布，并且通过测定颗粒物量，计算颗粒物的覆盖率，即纤维集合体的过滤性能。
1.5 纤维集合体的实验工况
通过改变实验中纤维集合体的线密度和滤棒孔隙率来测定影响纤维集合体过滤性能的因素。其中，通过测定样品测试腔放入样品所引起的样品测试腔气体容量的减少来精确测定样品的真实体积，从而确定滤棒孔隙率。表 2 为纤维集合体的实验工况。
1.6 纤维集合体实验结果
1.6.1 单丝线密度集合体对颗粒物过滤性能的影响 图 5 为孔隙率分别为 0.88、0.90 和 0.92 条件下，不同单丝线密度的纤维集合体对颗粒物截留率的影响Fig. 5 Influence of fiber linear destiny on particle coverage offiber assembly不同单丝线密度的纤维体对颗粒物截留率的影响。在同一孔隙率下，随着滤棒长度的增加，纤维体对颗粒物的截留率逐渐增加，并且最后趋于稳定；单丝线密度越大，纤维集合体对颗粒物截留率越低。其中，孔隙率为 0.88 的工况下纤维集合体对颗粒物的截留率最高。在滤棒长度为 40～50 mm 的区间内，颗粒物的截留率最大。单丝线密度越小的纤维集合体内纤维丝的总表面积越大，使得其与气溶胶颗粒物的接触概率越大。线密度越小的单纤维丝在滤棒内部的分布也更均匀，单纤维丝之间的间距更小，因此对颗粒物的有效拦截尺寸范围越大。
1.6.2 孔隙率对颗粒物过滤性能的影响 在单丝
线密度一定的条件下，研究孔隙率对颗粒物截留率的影响。由图 6 可以看出，当单丝线密度一定时，孔隙率越大，纤维之间的空间越大，纤维集合体对颗粒物截留的有效范围减小，其截留率越小。其中，线密度为 0.27 tex 的纤维集合体对颗粒物的截留率最高，过滤性能最好。根据文献[13]可知，纤维层过滤分为内部过滤和表面过滤。在内部过滤的过程中纤维先起主要作用，随后在滤料内部的纤维和粉尘的共同作用下，当纤维层达到一定的容尘量后，主要由纤维表面的粉尘层起过滤作用，此时即为表面过滤。由于烟气气溶胶之类的非固态颗粒物一旦接触纤维，容易黏附在纤维表面，纤维层的过滤过程基本为表面过滤。
2 数值模拟
2.1 单纤维丝模型的建立和求解方法
本文采用计算流体力学软件 Fluent 对纤维模型进行数值模拟计算。由于纤维过滤嘴过滤 PM2.5 的过程是非常复杂的，对单纤维丝模型做如下假设：
① 颗粒只受范德华力和曳力的作用；② 颗粒间不存在可压缩现象，其性质类似于固体颗粒，忽略颗粒间相互作用力对颗粒运动产生的影响；③ 忽略颗粒被截留后因反弹力可能逃离纤维表面；④ 忽略因颗粒沉积而导致流场变化对速度场和颗粒运动轨迹的作用。
根据实际过滤嘴内烟气气固两相流动的特点，模型设置为三维稳态、层流和不可压缩气固两相流动。对于不可压缩黏性流体，可用 N-S 方程来描述，并满足连续性方程和动量方程。
气固相间曳力是表征气固两相之间的相互作用和动量交换的特征参数，其大小与单颗粒的Reynolds 数 Rep、气体运动特性、气体的可压缩性、气体与颗粒温度的差异、颗粒的形状、绕流壁面的存在及颗粒群的浓度等因素有关[14]。
2.2 单纤维丝模型尺寸和边界条件
简化的单纤维丝“Y”截面尺寸如图 8 所示，两瓣叶片间的夹角为 120°，模型模拟区域如图 9所示。
模型计算区域的尺寸为 600 μm×180 μm×160μm（长×宽×高），为保证捕集区域进口处气流均匀，释放颗粒时不影响单纤维丝附近的流场，因此在捕集区域前设置长度为 240 μm 的入口段。捕集区域后设置长度为 160 μm 的出口段以保证颗粒绕流单纤维丝尾部不受区域的限制。单纤维丝长度l=100 μm，为获得最大的有效捕集面积，将单纤维丝垂直气流方向放置。入口面设置为速度进口，出口面设置为出流边界，上下边界采用对称边界，其中，单纤维丝表面设置为无滑移壁面，圆形截面和“Y”截面在模拟计算时设置相同的边界条件。考虑到“Y”形截面单纤维丝表面几何特征复杂，故采用非结构网格，网格的基本尺度为 5 μm。颗粒平均粒径为 0.33 μm，颗粒密度为 800 kg·m?3，气体密度 1.225 kg·m?3，时间步长为 5×10?5s。文中PM2.5颗粒平均粒径为 0.33 μm，根据纤维过滤理论，布朗扩散作用对粒径为 0.2 μm 以上的粒子作用不大[16]，所以模拟时纤维捕集颗粒主要以直接拦截和惯性碰撞为主要捕集机制。
2.3 “Y”形截面和圆形截面单纤维丝的模拟结果分析
模拟直径为 24.49 μm 的“Y”形截面和圆形截面的单纤维丝对颗粒物截留率的作用，其模拟结果如图 10 所示，被捕集的颗粒物数量随着时间的增加而增加。在模拟时间相同的条件下，“Y”形截面的单纤维丝对颗粒物捕集的数量远多于圆形截面的单纤维丝。“Y”形截面的单纤维丝在 t5 时刻的截留率基本达到最大值。
2.4 纤维集合体模型的建立和求解方法
纤维集合体是一种由大量的单纤维丝填充而成的疏松的多孔介质，内部结构复杂。在建模过程中采用随机算法产生三维的纤维集合体微观结构，单纤维丝为圆柱体，忽略纤维的弯曲和集合体受挤压而造成的变形。
由于颗粒尺寸很小，且 Re＜1，纤维集合体微观通道内的流动模型可作稳态、层流和不可压缩处理。不考虑惯性的影响，流速和压降呈线性关系[17]，因此可以采用有限元法[18] 求解连续性方程和动量方程。
计算模型做如下假设：① 颗粒不受静电力、重力、曳力等力的作用；② 忽略颗粒之间相互作用对其运动的影响，颗粒一旦碰触纤维即被截留；
③ 颗粒之间不存在可压缩现象；④ 忽略颗粒因反
弹力可能逃离纤维表面而不被截留。
2.5 纤维集合体模型尺寸和边界条件
模拟计算过程中将计算区域设置为对称边界条件，入口段为速度入口边界条件，出口段为压力出口边界条件，纤维表面为无滑移边界条件。为保证进入纤维集合体的气流均匀，防止出口回流，将入口段长度设置为 300 μm，出口段为 50 μm。纤维集合体中单纤维丝的截面直径为 24.49 μm，孔隙率为 0.9，纤维集合体附近的网格大小不超过 8 μm，纤维集合体的模型如图 11 所示，网格分布如图 12所示。
3 实验与数值模拟结果对比分析
3.1 单纤维丝实验与数值模拟结果对比
将不同线密度、颗粒物浓度和烟气流速工况下“Y”形截面单纤维丝的数值模拟结果与实验数据进行对比，可以发现实验与数值模拟的结果相吻合。如图 13（a）所示，选取颗粒物的直径为 0.33 μm，在不同线密度的条件下，线密度越大，单纤维丝对颗粒物的截留率越低，线密度为 0.27 tex 的纤维比线密度为 0.38 tex 的纤维对颗粒物截留率最大高23.52%。在考虑颗粒物浓度对截留率影响的作用时，选取线密度为 0.27 tex 的单纤维丝，烟气入口速度 0.36 m·s?1。颗粒物浓度为 2.40×108个·cm?3和 2.20×108 个·cm?3 时，“Y”形截面的单纤维丝对颗粒物的截留率在实验进行到 5 min 左右就基本达到 100%，因此在这两种情况下将实验时间缩短为 4.5 min，且每隔 0.5 min 取一次数据。由图 13（b）可知，颗粒物截留率随着捕集时间的增加而增加，而后逐渐趋于稳定，增长缓慢。在同一时刻，颗粒物浓度越高，截留率越大。
在考虑不同烟气流速对颗粒截留率的影响时，选取线密度为 0.38 tex，烟气入口颗粒物浓度为1.31×108 个·cm?3
。由图 13（c）可以发现，在同一时刻下，烟气流速越大截留率越大，因为气体的流速增加，含尘气流绕流流经纤维丝，当黏性不足以维持颗粒保持原先流线轨迹时，颗粒就容易从气体流线轨迹偏离，惯性碰撞效应加强，因而截留率增加[19-20]。颗粒物之间的碰撞随着气流速度的增加而更加剧烈，颗粒物凝并作用加强，有利于捕集颗粒。由于数值模拟过程中颗粒源来流均匀，且颗粒间相互干扰作用小，而实验过程中由于气溶胶颗粒在运动过程中会发生碰撞，因此数值模拟结果中颗粒拦截率随参数变化而振荡变化。
3.2 纤维集合体实验与数值模拟结果对比
由图 14 和图 15 可以发现，纤维集合体的实验数据与数值模拟的结果基本吻合，孔隙率相同的滤棒中，线密度越大，纤维集合体对颗粒物的截留率越低。由于线密度越大，曲线的弯曲程度越小，因而捕集效率越低。根据图中曲线的趋势可以发现，颗粒物截留率在滤棒前段区域增长速率较快，后段部分的截留率逐渐趋于稳定，数值模拟的结果比实验数据略大。在同一单丝线密度的条件下，孔隙率越大，纤维集合体对颗粒物截留率越低。
4 结 论
本文通过实验和数值模拟对比的方法研究纤维对 PM2.5颗粒物过滤性能，首先对“Y”形截面和圆形截面的单纤维丝对颗粒物截留率的作用进行分析，进而对纤维集合体的过滤性能对比分析，得到以下结论。
（1）对于“Y”形截面的单纤维丝，在同一烟气流速和颗粒物浓度下，单丝线密度越大，同一时刻单纤维丝对颗粒物截留率越低；在同一单丝线密度和烟气流速下，颗粒物浓度越大，同一时刻单纤维丝对颗粒物截留率越高；在同一单丝线密度和颗粒物浓度下，烟气流速越大，同一时刻单纤维丝对颗粒物截留率越高。
（2）通过实验对比“Y”形截面和圆形截面的单纤维丝，同一时刻下“Y”形截面的单纤维丝对颗粒物截留率更高，对 PM2.5 颗粒物的过滤性能更好。
（3）对于纤维集合体，在孔隙率相同的情况下，单纤维丝的线密度越大，纤维集合体对颗粒物的截留率越低；在同一单丝线密度的情况下，孔隙率越大，纤维集合体对颗粒物的截留率越低；其中，单丝线密度为 0.27 tex 和孔隙率为 0.88 的工况下，纤维集合体对颗粒物的捕集性能最好。
通过以上的对比分析，可以对如何高效过滤PM2.5提供更好的依据和理论指导。由于数值模拟结果与实验数据相吻合，且实验操作复杂、困难性大，可以利用数值模拟方法更加有效地对 PM2.5 进行更深入的研究。
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