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《安徽工业大学》 2014年
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基于CFD褶式滤芯过滤性能的响应面法优化研究

查文娟  
【摘要】:日益严重的雾霾天气使得有效过滤空气及烟尘中的细颗粒物成为大众关注的一个焦点。目前空气过滤器和工业滤筒除尘器中广泛使用的过滤滤芯多为过滤面积大、过滤效率高、体积小的褶式滤芯。低阻高效、使用寿命长也一直是褶式滤芯相关研究的目标,而褶式滤芯的阻力主要受滤芯结构参数和过滤介质属性影响,滤芯使用寿命则与过滤过程中滤芯内的气流分布有关,因此,褶式滤芯结构参数和气流分布的优化研究有重要的理论价值和现实意义。 本文根据褶式滤芯的结构特点,利用数值模拟方法分别建立平板状褶式滤芯和圆筒状褶式滤芯的二维数值模型,并对计算模型进行验证;同时通过改变模型结构参数(褶高、褶间距,或滤芯外径、褶数、褶高)和运行条件(过滤速度或流量),在响应面法基础上分析滤芯结构参数和运行条件对其阻力和气流分布的影响,分别建立阻力和气流分布的二次多项式预测模型,对各影响因素进行优化;本文还对5种不同结构参数的平板状褶式滤芯的阻力和过滤效率进行了实验测试,并将实验结果与模拟结果进行比较,结果表明: (1)本文2种形状的褶式滤芯数值计算结果与文献结果吻合较好,误差均在5%之内,说明本文采用的数值计算模型可以用于对褶式滤芯的阻力和气流分布进行模拟。 (2)对于平板状褶式滤芯,褶高h、褶间距W及过滤速度Vf对滤芯的阻力性能均有影响,且影响显著性为Vf>W>h。滤芯的阻力随Vf增大近似线性增大;阻力随W的增大而先减小后增大,存在最佳W是滤芯阻力最小;当Vf小于某一值时,h越大,阻力越大,但当Vf大于该值时,h越小,阻力越大,存在最佳h使阻力最小。 (3)平板状褶式滤芯单个褶上的气流分布主要受褶高h和褶间距W的影响,但W对气流分布的影响程度要显著于h。随着h的增大,通过褶两端区域的气流量越少,通过褶中部区域的气流量越多;W对褶两端区域的影响趋势亦基本一致,W的增大均会造成褶两端区域的气流量先增多后较少,但褶中部区域的气流量则与之相反,呈先减少后增多的趋势;过滤速度Vf的变化主要对褶两端区域造成影响,基本不影响褶中部区域,且Vf越大,通过褶上部区域的气流量越多,通过褶下部区域的气流量越少。 (4)针对5种不同结构参数的平板状褶式滤芯的实验表明,褶高h、褶间距W、过滤速度Vf对滤芯阻力的影响趋势及显著性比较与数值模拟获得的结论是一致的,且只考虑阻力时,h=25mm、W=11mm的结构组合是最优的,这与只基于阻力对滤芯进行响应面法优化获得的结果是完全吻合的。风速越低,滤芯的过滤效率越高,但效率随风速的升高的趋势并不是很明显;随着褶高的增大,滤芯过滤效率随之降低;褶间距对过滤效率的影响与褶高相反,褶间距越大过滤效率反而越高,且褶间距对效率的影响程度明显大于褶高对效率的影响程度;各影响因素对效率的影响趋势及显著性与其对褶上气流分布均匀性的影响基本一致,这也说明可以通过对气流分布均匀性的优化来达到对效率的优化。 (5)与平板状褶式滤芯类似,圆筒状褶式滤芯的阻力亦随着运行条件(流量Q)的增大近似线性增大;过大或过小的滤芯外径D和褶数N均会造成较大的阻力,存在最优D和N使滤芯阻力最小;褶高h对滤芯阻力也有一定影响,但相比其它3个因素,h对滤芯阻力的影响最不显著。 (6)圆筒状褶式滤芯单个褶上的气流分布均匀性受外径D、褶数N和褶高h的影响较明显,运行条件对气流分布的影响不显著。随着D的增大,通过褶上部和中部的气流量先减少后增多,褶下部的气流量则呈相反变化趋势;褶上部的气流量随N的增大先增多后减少,而褶下部的气流量则先减少后增多,且N对通过褶上部的气流量的影响明显显著于对褶下部的影响,通过褶中部的气流量则始终呈增多趋势;通过褶上部和中部的气流量随着褶高h的增大呈增多趋势,而褶下部的气流量则呈减少趋势。 (7)在本文研究参数范围内,h=55mm、W=14.8485mm、Vf=0.005m/s时,平板状褶式滤芯获得较低的阻力和较均匀的气流分布;D=290mm、N=36、h=50mm、Q=0.06m3/s时,圆筒状褶式滤芯获得较低的阻力和较均匀的气流分布。
【学位授予单位】:安徽工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TU834.8

【参考文献】
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