气溶胶力学第五章课件.ppt

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1、第五章纤维过滤理论本章所要论述的内容是纤维过滤除尘的理论基础。过滤可定义为借助于多孔介质中分离出分散粒子的过程。对于气溶胶粒子的纤维过滤来说，参与过滤的三个主要因素是：分散介质（指空气或其它混合气体）、分散粒子和纤维材料。分散粒子以下列因素决定其特征：即粒子的大小，粒子的粒径分布、粒子的形状、粒子的密度，电荷、粒子的化学组成和粒子的浓度。分散介质是以下列因素表示：即气流速度，气体的密度，绝对温度、压力，粘性和湿度。纤维材料的特征以下列因素表示：几何尺寸——过滤面积和厚度、纤维的直径、组成过滤器的纤维结构、过滤器的孔隙率和荷电情况。过滤过程的基本参数

2、是收集效率、过滤器的阻力和容尘特性（或更换与再生的时间）。这些参数一般都依赖于前面所提到的那些表征粒子、气流和纤维材料的特征。从理论的角度来看，过滤过程可以区分为两个状态：第一种状态，过滤材料是清洁的，两个基本参数——收集效率和阻力不随时间变化，称为稳定过滤；第二种状态是由于气溶胶粒子在过滤器中沉降，收集效率和阻力都随时间而变化，成为非稳定过滤。在过滤器的使用初期可以认为是稳定过滤，随着容尘量的增加，过滤过程进入非稳定过滤状态。单一纤维可以认为是圆柱体，解决纤维过滤问题的重要内容是绕单一纤维（圆柱体）或纤维系统的速度场的计算，这一计算是基于粘性流体的

3、运动方程，即运用各种近似方法解奈维-斯托克斯方程，通常称为奥森近似。第一次提出过滤的经典理论是在1931年，当时发现半径为0.1—0.2μm的粒子比更大或更小的粒子更容易透过纸过滤器，阿尔布莱希（Albrecht）提出了理论解析。至1936年考夫曼（Kaufman）把布朗运动和惯性沉降的概念吸收到纤维过滤器的理论中来。而对过滤理论的系统研究是由朗格缪进行的。他提出的孤立纤维法得到了广泛的应用，后来又由福克斯、戴维斯（Davies）、耐坦森、江见、吉冈、福岛和福瑞德兰德尔（Friendlander）等人加以发展，近年来桑原和黑派尔（Happel）对纤维

4、系统的速度场的计算取得成功，使过滤理论的研究达到了新的水平、接着皮切（Pich）又把这一理论发展为更为普遍的形式。一粒子在圆柱体上的沉降机理纤维过滤器分为填充过滤器和单层过滤器，后者也称为袋式过滤器，滤纸也属这一类型。图5.1所表示的充填过滤器，图5.2是单层过滤器，二者的捕尘机理是相同的。纤维过滤器的捕尘机理有下列几种：图5.1填充过滤器图5.2单层过滤器(1)截流:粒子到纤维的距离小于粒子的半径时，在流动过程中被纤维所捕获，如图5.3所示；(2)惯性：纤维大多垂直放置于气流方向上，在纤维附近气流流线发生弯曲，由于粒子的惯性，粒子将不随从流线的弯曲

5、而射向纤维并沉降到纤维表面，见图5.3。显然，随粒子直径的增大和气流速度的增加，惯性沉降作用也随之增大；图5.3纤维捕尘机理(3)扩散沉降：由于布朗运动，粒子的运动轨迹不与气体流线一致，粒子从气流中可以扩散到纤维上并沉降到纤维表面，粒子直径越小，布朗运动越显著，扩散沉降的效率也增加；(4)重力沉降：由于重力影响，粒子有一定的沉降速度，结果，粒子的轨迹偏离气体流线从而接触到纤维表面而沉降；(5)静电沉降：过滤器中的纤维和流经过滤器的粒子都可能带有电荷，由于电荷间库仑力的作用，也同样可以发生粒子在纤维上的沉降。粒子在纤维上的沉降是几个捕获机理共同作用的结

6、果，其中有一两个机理占优势，而总的沉降效率是单一沉降机理的沉降效率的函数，即：η=f(ER,EI,ED,EG,EQ)（5.1）其中ER——截流效率；EI——惯性效率ED——扩散效率；EG——重力沉降效率EQ——经典沉降效率。但是，这一函数至今尚未完全研究清楚。二绕圆柱体的速度场（一）理想流体绕无限长圆柱的流动平行流与偶极子的叠加而合成的流动即相当于平行流绕半径为a的圆柱体的流动。平行流的复位势为：W=Vo(x+iy)=VoZ（5.2）偶极子的复位势为：（5.3）所以，平行流线绕过半径为a的圆柱体的流动，复位势为：（5.4）此时的势函数φ与流函数ψ分别

7、为（见图4.4）：（5.5）（5.6）图5.4平行流与偶极子的叠加若用极坐标表示：x=rcosθy=rsinθ则（5.7）零流线，一条是x轴，另一条是圆心在原点半径为a的圆。此时的速度分布为：（5.8）在圆柱表面速度为：vr=0vθ=-2vosinθ(5.9)其中负号表示vθ的方向与θ的方向相反，全速度说明圆柱表面上的速度分布与圆柱体的半径大小无关。当θ=0时，在B点，速度vB=0;当θ=Л时，在A点，速度vA=0。A,B联合点均称为驻点。当θ=Л/2时，速度vM=2vo,此点有最大速度值，如图5.5所示。图5.5绕圆柱流动（二）拉姆（Lamb）场对

8、小雷诺数（Re=vodf/v，df-纤维的直径）时的粘性流体，拉姆根据奥森方程导出下列流函数方程：（5.10