Моделирование значений перепада давления в ультра

Jan 12, 2024

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5449 (2023) Цитировать эту статью

351 Доступов

Подробности о метриках

Вычислительное гидродинамическое моделирование волокнистых фильтров с 56 комбинациями различных размеров волокон, плотностей упаковки, скоростей и толщин было проведено для разработки моделей, прогнозирующих падение давления в фильтрах из нановолокон. Точность метода моделирования была подтверждена сравнением численных перепадов давления с экспериментальными данными, полученными для фильтров из полиакрилонитрильных электроформованных нановолокон. При моделировании учитывался эффект аэродинамического скольжения вокруг поверхности небольших нановолокон. Результаты показали, что, в отличие от случая традиционной теории фильтрации, перепады давления в тонких слоях фильтров из нановолокон электропрядения не пропорциональны толщине. Это может быть решающим фактором для получения точных перепадов давления на фильтрах из электроформованных нановолокон с чрезвычайно тонкими слоями. Наконец, мы получили произведение коэффициента сопротивления и числа Рейнольдса как функцию плотности упаковки, числа Кнудсена и отношения толщины к диаметру волокна, чтобы получить корреляционное уравнение для прогнозирования перепада давления. Полученное уравнение предсказывало падение давления на фильтрах из нановолокна с максимальной относительной разницей менее 15%.

Негативное воздействие загрязнения воздуха невозможно переоценить. Он угрожает дыхательной системе человека и, таким образом, вызывает серьезные проблемы со здоровьем, включая болезни сердца, пневмонию, инсульт, диабет и рак легких1,2,3,4. Поскольку, по оценкам, миллионы смертей ежегодно происходят из-за загрязнения воздуха внутри и снаружи помещений, Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) считает, что загрязнение воздуха является крупнейшим экологическим риском для здоровья5,6. Твердые частицы (ТЧ), сложная смесь мелких твердых и жидких частиц различного химического состава, являются одним из основных загрязнителей воздуха1,7. Небольшой размер и большая площадь поверхности PM2,5 (аэродинамический размер менее 2,5 мкм) могут проникать глубоко в легкие человека и быть токсичными, тем самым увеличивая заболеваемость и смертность8,9,10,11. Поэтому очень важно эффективно контролировать и удалять ТЧ из повседневной жизни людей.

Фильтрация воздуха считается одним из наиболее эффективных методов контроля качества воздуха. Обычно этого достигают с использованием мембранных и волокнистых материалов12,13. Эффективность фильтрующих материалов можно оценить с помощью различных показателей14. В общем случае производительность фильтров оценивается добротностью (\({\text{QF}} = - \ln \;(1 - \eta )/\Delta P\)); следовательно, падение давления (ΔP) на фильтрующем материале является важным фактором в дополнение к эффективности удаления (η), измеряемой с точки зрения энергопотребления15,16. Воздушные фильтры волокнистого типа широко используются во многих приложениях фильтрации из-за их высокопористой структуры (т.е. низкой плотности упаковки) по сравнению с фильтрами мембранного типа17. Обычные волокнистые воздушные фильтры состоят из волокон различного диаметра от нескольких микрон до десятков микрон. Эти волокна большого размера требуют значительной толщины для улавливания твердых частиц с высокой эффективностью удаления, что приводит к большим перепадам давления. Чтобы найти компромисс между эффективностью и перепадом давления, значительное внимание привлекли фильтры из нановолокон с размерами волокон от десятков до сотен нанометров, которые производятся методом электропрядения18,19,20,21,22. Одним из явных преимуществ фильтров из нановолокон является то, что из-за аэродинамического скольжения по поверхности мелких нановолокон сопротивление потоку газа снижается, что приводит к снижению перепада давления на отдельных волокнах23,24,25,26.

Чтобы разработать этот многообещающий метод, многие исследователи провели экспериментальные исследования, связанные с такими показателями производительности, как механическая прочность, эффективность удаления и перепад давления27. Леунг и др.28 исследовали влияние плотности и толщины упаковки на эффективность удаления и падение давления при укладке слоев полиэтиленоксидных нановолокон со средним диаметром 208 нм. Их исследование показало, что многослойные фильтры из нановолокон значительно снижают перепад давления по сравнению с однослойными фильтрами с тем же количеством нановолокон. Чжан и др.29 разработали фильтры из полиимидных нановолокон электропрядения с высокой температурной стабильностью для удаления PM2,5 из выхлопных газов автомобилей. Ся и др.30 исследовали взаимосвязь между перепадом давления и лицевой скоростью для электроформованных нановолокон, собрав 122 экспериментальных данных из литературы. Кроме того, моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) использовалось для исследования сложных характеристик потока внутри фильтров из нановолокон, поскольку численный подход имеет преимущество упрощенной настройки параметров фильтрации31. Хоссейни32 разработал трехмерное CFD-моделирование для оценки перепадов давления при различных плотностях упаковки и размерах волокон. Цюань и др.33 численно смоделировали эффект скольжения на одном нановолокне, чтобы найти оптимальные функциональные волокна с эффектом скольжения, которые можно было бы применить к волокнистым фильтрам сэндвич-структуры для снижения перепадов давления.