[發明專利]一種基于CFD的容塵狀態下多孔介質的阻力計算方法

有效

• 申請號: 202010964212.7
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN112100891B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 曹博文;魯進利;錢付平;趙瑞慶;龔呈;何杰;李晴;魏民;劉雅如
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/25;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 安徽知問律師事務所 34134
• 代理人: 平靜

1.一種基于CFD的容塵狀態下多孔介質的阻力計算方法，其特征在于，其步驟為：

步驟一、構建纖維過濾介質的細觀三維幾何模型；

步驟二、對細觀模型進行網格劃分，并保證最低網格質量高于0.25；

步驟三、將網格模型導入Ansys-Fluent軟件中進行流場分析計算，得到不同填充密度模型在不同過濾風速下的壓力損失；

步驟四、對細觀模擬的邊界條件與相關參數進行設置；

步驟五、通過改變纖維過濾介質的填充密度、纖維直徑、厚度與進口流量，得到細觀條件下纖維過濾介質的阻力值；

步驟六、對阻力值進行擬合，得到細觀條件下纖維過濾介質的無因次壓力損失的關聯式；

步驟七、建立纖維過濾介質的宏觀多孔介質模型，基于步驟六得到的無因次壓力損失關聯式，整理得到多孔介質模型中粘性阻力系數；

步驟八、利用ANSYS-Fluent中用戶自定義函數，建立容塵狀態下宏觀尺度模型；

步驟九、控制多孔介質網格單元孔隙率閾值，實現顆粒在多孔介質中不同分布形式的捕集；

步驟十、利用實驗數據或經驗公式得到容塵量與阻力之間變化規律，以此校準宏觀尺度模型；

所述的步驟六中，得到的細觀條件下纖維過濾介質的無因次壓力損失的關聯式如下：

f(α)＝2031.7x³-616.2x²+90.7x-3.3 (3)

其中，f(α)為無因次壓力損失，x為纖維過濾介質的填充密度；

同時，纖維過濾介質在低流速、小雷諾數情況下運行，其壓力損失服從達西滲流定律，表示如下：

式中，Δp為壓力損失，η為流體的動力粘度，d_f為纖維直徑，V為過濾速度，L為厚度，α為填充密度；

所述的步驟七中，按照纖維過濾介質的實際外觀尺寸建立宏觀尺度模型，并將纖維過濾介質簡化為CFD多孔介質；將步驟六中得到的式(3)，無因次壓力損失關聯式，與式(5)動量守恒方程，進行化簡整合，進而得到多孔介質各方向上清潔狀態的粘性阻力系數值C₁，即式(6)，

式中，v_i為某一方向的空氣流速，v為空氣流速，η為流體的動力粘度，C₂為慣性阻力系數，ρ為流體的密度。

2.根據權利要求1所述的一種基于CFD的容塵狀態下多孔介質的阻力計算方法，其特征在于：所述的步驟一中，基于纖維過濾介質的電鏡圖片，提取其結構參數，從而建立纖維過濾介質的細觀三維幾何模型；所述的步驟二中，利用ICEM CFD軟件進行非結構化四面體網格的劃分，以實現計算域離散。

3.根據權利要求1或2所述的一種基于CFD的容塵狀態下多孔介質的阻力計算方法，其特征在于：所述的步驟三中，針對連續相，采用不可壓縮流體的連續性方程和納維－斯托克斯方程進行控制，控制方程如下：

式中，為流體瞬時速度矢量，p為壓強，η為流體的動力粘度，ρg為單位體積流體所受重力。

4.根據權利要求3所述的一種基于CFD的容塵狀態下多孔介質的阻力計算方法，其特征在于：所述的步驟四中，在入口處采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件；設置內部面作為壓力提取面，纖維表面的氣流采用無滑移邊界條件。

5.根據權利要求4所述的一種基于CFD的容塵狀態下多孔介質的阻力計算方法，其特征在于：所述的步驟五中，建立6種填充密度、4種纖維直徑和4種厚度的纖維過濾介質模型，共計96種；改變纖維過濾介質的進口流量，分別得到進口流速分別為0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s和0.5m/s時細觀條件下纖維過濾介質的阻力值。