高效空气过滤器的数值模拟

摘要 本文利用Fluent软件对高效过滤器进行数学物理建模,在速度为2~12m/s范围内采用层流和湍流模型分别进行了计算,并且把层流和湍流的计算结果进行对比。结果表明:层流和湍流沿X方向的压力变化趋势基本相似,和理论值比较,两者的误差不是很大,基本保持在5%以内,说明本文所建立的模拟模型是合理的,模拟的结果准确可信,并在此基础上拟合了过滤器阻力关联式。

关键词 过滤器;数值模拟;阻力

中图分类号TU834.8文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)24-0099-02

0 引言

随着人们生活水平的提高,室内的空气质量对人体健康的影响已成为社会普遍关注的重要问题之一。特别是电子技术的发展,生产工艺对生产环境的要求越来越高,其中对洁净度的要求最高,而要达到要求的洁净度,最关键的设备就是高效空气过滤器[1,2]。高效空气过滤器的性能好坏和价格低廉直接关系到产品的质量与推广和普及。尤其是在当前国际、国内能源相对紧缺的情况下,并且提高了能源的利用率和降低了能耗、保护了环境,对提高人们生活质量具有更加现实的意义[3]。

本文采用数值模拟方法对不同速度在不同模型下对高效空气过滤器模型进行数学物理建模,采用商用软件对其进行数值模拟,并分析过滤器内部的流场特征,研究过滤器内部的流动及其规律,并和理论结果进行比较拟合了阻力计算公式。

1 模型的建立及计算

1.1 计算模型及网格划分

高效空气过滤器计算区域和网格划分如图1。

图1高效空气过滤器计算区域和网格划分图

网格单元采用六面体,结构化网格。边界条件具体设置为:进口为速度进口(velocity-inlet);出口采用自由出口边界条件(outflow);壁面均采用选择无滑移固体壁面(wall)。

分别采用层流模型和湍流模型进行求解,壁面采用壁面函数处理,求解算法采用Simplec算法,Pressure采用Standard,Momentum采用Power Law,Turbulent Kinetic Energy采用First Order Upwind,Turbulent Dissipation Rate采用First Order Upwind。

1.2 控制方程

流体运动都受到最基本的3个物理规律的支配,即质量守恒、动量守恒及能量守恒。本文所研究的问题基本为常温下忽略能量传递的稳态流动。所以控制方程[4]可以写为:

连续性方程(质量守恒):(1)

动量方程:

其中p为压力,为流体的密度,为流体的动力粘度,为流体的运动粘度。

2 结果分析与讨论

2.1 不同速度下对性能的影响

1)不同进口速度时,层流和湍流下Z=0截面压力分布

图2和图3给出不同速度下压力分布图,图示结果表明,二者变化趋势相近,沿轴向先增加后降低,在同一位置,湍流计算结果较大。

2)不同进口速度时,层流和湍流下Z=0截面流线图

图4和图5给出了不同速度下流线示意图,结果表明二者流线趋势基本一样,但在低速时,湍流模型计算出漩涡较大。

2.2 层流和湍流计算结果比较

从图6变化曲线可以看出,层流和湍流沿X方向的压力变化趋势基本相似,平均误差比较小,这说明所建的模型是比较合理的。图7给出了不同速度下,层流和湍流结果,二者趋势均为随速度的增长压降升高。

图8和图9给出了不同模型下,计算值和模拟值对比,结果表明,数值模拟结果和理论计算结果两者的相对误差在10%以内,而且误差多在5%左右。结论表明,建立的数值分析模型,湍流误差相对较大。

从图可以拟合压降计算公式如下:

DP=15.00+14.26V层流

DP=17.56+16.72V湍流

3 结论

本文通过对不同速度不同模型下高效空气过滤器模型分析,得出如下结论:

1)通过层流和湍流模型模拟比较,二者变化趋势一致,和理论值比较,两者的误差保持在5%以内,说明本文所建立的数值模型合理,结果准确可信;

2)随着过滤速度的增大,过滤器的阻力不断增加;

3)以不同流型数值模拟的结果为样本,拟合得到过滤阻力公式及过滤阻力曲线,该公式可以很方便的对于本文所研究的过滤器阻力的变化趋势和阻力值的大小作初步的预测。

参考文献

[1]董大纲.高效空气过滤器自动检测系统的研制[D].天津大学,2006.

[2]刘冰.高效、超高效空气过滤器全效率检测台的研制[D].天津大学,2006.

[3]张锋超.多管式高效空气过滤器的数值模拟研究[D].东华大学,2006.

[4]Croom ML.Effective selection of filter dust collectors.Chemical Engineering,1993,100(7) :86-91.