Фильтрация субмикронных аэрозолей волокнистыми фильтрами

• Автор: Кирш, Василий Александрович
• Шифр специальности: 02.00.11, 02.00.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 300 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.

ЧАСТЫ. ДИФФУЗИОННОЕ ОСАЖДЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ ИЗ ПОТОКА В МОДЕЛЬНЫХ ФИЛЬТРАХ

ГЛАВА 1. ОСАЖДЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ ИЗ ПОТОКА НА ВОЛОКНА ПРИ МАЛЫХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА.

1.1. Методы расчета коэффициента захвата наночастиц волокном в ячейке.

1.1.1. Решение уравнения конвективной диффузии методом конечных разностей

1.1.2. Решение уравнения конвективной диффузии методом прямых.

1.2. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными при больших числах Пекле
1.3. Метод расчета коэффициента захвата частиц волокном в изолированном ряду параллельных волокон.

1.3.1. Осаждение наночастиц в изолированном ряду параллельных волокон.

1.3.2. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными при малых и промежуточных числах Пекле

1.4. Осаждение наночастиц на ультратонких волокнах

1.5. Выводы.
ГЛАВА 2. ОСАЖДЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ В МОДЕЛЬНЫХ ФИЛЬТРАХ ИЗ ПОРИСТЫХ ВОЛОКОН И ВОЛОКОН С НЕКРУГОВЫМ СЕЧЕНИЕМ
2.1. Осаждение наночастиц на волокна с некруговым сечением
2.1.1. Моделирование фильтров, получаемых электросииннинюм. Гидродинамика модельных фильтров из сдвоенных параллельных волокон и волокон с эллиптическим сечением.
2.1.2. Обтекание ряда параллельных сдвоенных нановолокон
2.1.3. Осаждение наночастиц в ряду сдвоенных волокон
2.1.4. Осаждение наночастиц в ряду эллиптических волокон
2.2. Теория фильтрации наноаэрозолей фильтрами из пористых волокон
2.2.1. Обтекание стоксовым потоком периодических рядов пористых волокон
2.2.1.1. Поле течения в системе пористых волокон.
2.2.1.2. Сравнение с другими моделями.
2.2.2. Осаждение наночасгиц в системе пористых волокон
2.3. Выводы.
ГЛАВА 3. ОСАЖДЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ В МОДЕЛЬНЫХ ФИЛЬТРАХ С ТРЕХМЕРНОЙ СТРУКТУРОЙ.
3.1. Двойная гексагональная модель фильтра
3.1.1. Гидродинамическое сопротивление ДГМфильгра
3.1.2. Осаждение наночастиц в ДГМфильтре.
3.2. Проскок наночастиц через сеточные диффузионные батареи.
3.3. Влияние зарядов на наночастицах при калибровке диффузионных батарей.
3.4. Выводы
ЧАСТЬ II. ОСАЖДЕНИЕ СУБМИКРОННЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ПОТОКА В МОДЕЛЬНЫХ ФИЛЬТРАХ.
ГЛАВА 4. ДИФФУЗИОННОЕ ОСАЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ КОНЕЧНОГО РАЗМЕРА ИЗ ПОТОКА НА ВОЛОКНА ПРИ МАЛЫХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА.
4.1. Диффузионное осаждение субмикронных частиц на субмикронных волокнах
4.2. Влияние сил ВандсрВаальса на осаждение субмикронных частиц на
ультратонкие волокна.
4.2.1. Вывод формул для энергии и силы вандерваальсова взаимодействия сферической частицы с цилиндрическим волокном.
4.2.2. Диффузионное осаждение субмикронных частиц в поле центральных сил притяжения
4.2.3. Результаты расчета коэффициента захвата частиц волокном с учетом сил вандерВаальса.
4.2.4. Частицы наиболее проникающего размера
4.3. Диффузионное осаждение тяжелых субмикронных частиц частиц с высокой плотностью.
4.3.1. Распределение концентрации тяжелых частиц в потоке в окрестности волокна
4.3.2. Результаты расчета коэффициента захвата
4.4. Влияние электрических зарядов на частицах на их диффузионное осаждение на незаряженных волокнах
4.5. Выводы.
ГЛАВА 5. ИНЕРЦИОННОЕ ОСАЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ КОНЕЧНОГО РАЗМЕРА ИЗ ПОТОКА НА ВОЛОКНА.
5.1. Расчет коэффициента захвата инерционных частиц конечного размера.
5.1.1. Влияние сил вандерВаальса на инерционное осаждение частиц
5.1.2. Сравнение расчетных данных с экспериментом.
5.2. Инерционное осаждение тяжелых частиц.
5.2.1. Уравнение движения тяжелых частиц и расчет предельных траекторий
5.2.2. Результаты расчета коэффициента захвата тяжелых частиц в зависимости от плотности частиц и направления потока.
5.3. Расчет эффективности инерционного захвата частиц с учетом их отскока от волокон
5.3.1. Влияние отражения частиц на коэффициент захвата
5.4. Влияние инерционности потока несущей среды на осаждение частиц
5.4.1. Поле течения и сопротивление потоку модельного фильтра при
5.4.2. Осаждение инерционных частиц в модельном фильтре при
5.5. Выводы.
ЧАСТЬ III. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ АЭРОЗОЛЕЙ ВОЛОКНИСТЫМИ ФИЛЬТРАМИ ПРИ НАКОПЛЕНИИ ЧАСТИЦ.
ГЛАВА 6. МОДЕЛЬ ФИЛЬТРА С ОСАДКОМ НА ВОЛОКНАХ.
6.1. Гидродинамика запыляемого фильтра
6.1.1. Поле течения в ячеечной модели.
6.1.2. Течение вязкой жидкости в периодических системах параллельных волокон с пористыми проницаемыми оболочками.
6.1.2.1. Определяющие уравнения и граничные условия
6.1.2.2. Изолированный ряд, квадратная и гексагональная решетки волокон.
6.2. Осаждение субмикронных и наноразмерных частиц в модельных фильтрах с осадком на волокнах.
6.2.1. Осаждение частиц за счет эффекта зацепления
6.2.2. Осаждение частиц за счт инерции и зацепления
6.2.3. Диффузионное осаждение субмикронных и наноразмерных частиц в фильтрах из волокон с пористыми оболочками.
6.2.4. Гидродинамика и фильтрующие свойства ряда волокон с несимметричными пористыми оболочками
6.3. Интенсификация процесса фильтрации. Критерий качества модельного фильтра.
6.4. Выводы.
ГЛАВА 7. КИНЕТИКА ЗАБИВКИ ФИЛЬТРОВ ТВЕРДЫМИ ЧАСТИЦАМИ
7.1. Кинетика объемной забивки фильтра
7.1.1. Вывод определяющих уравнений.
7.1.2. Расчет ресурса предфильтра.
7.1.3. Кинетика забивки инерционного предфильтра
7.1.3.1. Сравнение с экспериментом
7.1.4. Кинетика забивки предфильтра в диффузионном режиме осаждения частиц
7.2. Кинетика забивки финишного фильтра
7.2.1. Кинетика роста поверхностного слоя осадка частиц на фильтре.
7.2.2. Гидродинамика модельного слоя осадка частиц на фильтре
7.2.3. Осаждение наночастиц в слое осадка
7.3. Выводы
ГЛАВА 8. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ФИЛЬТРОВ В МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ СИСТЕМАХ ОЧИСТКИ С УЧЕТОМ ИХ ЗАБИВКИ ТВЕРДЫМИ ЧАСТИЦА
8.1. Постановка задачи
8.2. Примеры расчета оптимальных параметров предфильтра в двухступенчатой системе очистки двухслойном фильтре в диффузионном режиме осаждения частиц
8.3. Примеры расчета оптимальных параметров предфильтров в двух и трехступенчатой системах с учетом осаждения частиц за счет зацепления
8.4. Выводы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Конечноразностная декартова сетка в прямоугольной расчетной области, в которую переводит половину ячейки преобразование г ехр. При больших Ре уравнение конвективной диффузии является сингулярно возмущнным, и его решение резко меняется внутри тонкого пограничного слоя и диффузионного следа за волокном, оставаясь практически неизменным в области однородной концентрации. Поэтому для численного решения задачи в работе были использованы специальные методы решения задач с пограничным слоем . Преобразование г ехрг позволило сформировать сетку, сгущающуюся в области пограничного слоя к волокну по радиальной координате г. При этом исходная расчтная область в полярных координатах г, 0 была преобразована в прямоугольник в координатах г, 0 с равномерной по г сеткой со, г1 , 1,2,. Л, М ИхпЬ. Ре2, с2 иее0егРе2. Рк 1 значительным оказывается вклад конвекции. В первом случае можно использовать обычные схемы с центральными разностями, в то время как в режиме конвективной диффузии эти схемы обнаруживают неустойчивость. А, М 1 л. В новых переменных уравнение 1. ИЛ Р4, 1,2. В этой схеме для стабилизации осциллирующего решения конвективные члены уравнения 1. Результирующая пятидиагональная система алгебраических уравнений этой схемы эквивалентна блочной трхдиагональной, которая решалась методом матричной прогонки . Решение уравнения конвективной диффузии методом прямых В данной работе предложен алгоритм решения уравнения конвективной диффузии, основанный на методе прямых методе полудискретизации , , который позволяет свести решение уравнения в частных производных к решению системы краевых задач для обыкновенных дифференциальных уравнений. Область интегрирования по угловой координате разбивается на М лучей с шагом 1г2 лМ1. При таком разбиении первый луч совпадает с осью симметрии . Изложим метод для частиц конечного размера. Случай точечных частиц легко получаем, положив Л 0. Я рис. Разбивая область интефирования по угловой координате на М отрезков с шагом И 2пМ, и используя разностную аппроксимацию БерковскогоПолевикова , уравнение 1. СЛ2 ПчА1п ЫС2 А сн о. Рг 1с2лРе2. Лпксг ук,
пк 1п1 Я,, 0, пк п,0, 1, к 0 М. УРе, и. Для симметричного поля концентрации относительно оси 0 0 использовались условия 0 пм п яд пм п Точность решения во всей расчетной области конфолировалась по условию сН 0, в соответствии с которым должны совпадать интшралы от нормального полною потока частиц к волокну по любой окружности в пределах ячейки. При больших числах Пекле вклад диффузии в перенос частиц в тангенциальном направлении мал, и в уравнении 1. В результате эллиптическое уравнение 1. Граница применимости параболического уравнения конвективной диффузии для расчета коэффициента захвата показана в следующем разделе. В отличие от неявной схемы для эллиптического уравнения конвективной диффузии, схема метода прямых для параболического уравнения явная. В этом случае на нервом луче конценфация известна см. Ре д2пдг2 гл дпдг и дпдг и0г дпд. Коши на лучах 2,3,. ПМА ХкГдкк, 1. П0 0, л,1пА 1. При больших Ре система 1. Ь0Н . В предложенном методе на отрезках, перпендикулярных поверхности осаждения, можно использовать устойчивые одномерные схемы с порядком аппроксимации большим, чем имеют существующие двумерные схемы. К тому же существует большой набор одномерных схем решения двухточечных краевых задач и задач Коши, доступных для пользователя . Таким образом, предложенные подходы позволяют с высокой точностью рассчитывать распределение концентрации в области пограничного слоя и определять коэффициент захвата. Отметим, что имеющая аналитическое решение задача о диффузии точечных частиц к волокну в ячейке Кувабары при больших числах Пекле может рассматриваться в качестве одной из тестовых задач для проверки численных схем решения уравнения конвективной диффузии. Сравнение коэффициентов захвата, полученных нами решением эллиптического ге и параболического уравнений конвективной диффузии ур, и рассчитанных по формулам 1. Ре, вплоть до Ре 3 Кирш В. Таблица 1. Коэффициенты захвата наночастиц волокном в ячейке Кирш В. А. гд расчт по эллиптическому уравнению 1. Ре и формуле 1. Л 0. Ло 0. Ло 0. Л 0. Л0 0.