[发明专利]一种基于CFD的容尘状态下多孔介质的阻力计算方法

说明书

本发明的一种基于CFD的容尘状态下多孔介质的阻力计算方法，属于计算机辅助工程技术领域，该方法将纤维过滤介质的细观模型与CFD多孔介质的宏观模型相结合，基于无因次压力损失关联式与达西渗流定律，整理得到清洁状态下纤维过滤介质的粘性阻力系数，为CFD多孔介质模型提供清洁状态的初始参数，实现了宏观和细观之间数据传递的关系。同时利用ANSYS‑Fluent中用户自定义函数，实现了气固两相流模拟中多孔介质区域对颗粒的捕集与负载以及压力损失的变化，为研究容尘阶段纤维过滤介质的压力损失随沉积量的变化规律，以及降低设备运行能耗、优化过滤过程以及提高过滤器的使用寿命提供指导。

技术领域

本发明涉及计算机辅助工程技术领域，更具体的说，涉及一种基于CFD的容尘状态下多孔介质的阻力计算方法。

背景技术

工业除尘器与民用过滤器是一种经济有效的颗粒物过滤设备，而核心滤料部分是决定其过滤性能的关键。研究容尘阶段纤维过滤介质的压力损失随沉积颗粒量的变化规律，对降低过滤器运行能耗、优化过滤过程以及提高过滤器的使用寿命有着至关重要的作用。

近十年来，通过计算机技术对纤维过滤介质进行细观结构的三维重建，并采用计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)对过滤器容尘阶段的过滤性能进行研究十分流行。国内外大量研究者利用纤维过滤介质细观结构模型直接进行容尘阶段的数值模拟。但此种方法计算复杂，在目前的数值计算能力下，工作量巨大，不便于对容尘阶段纤维过滤介质的压力损失随沉积颗粒量的变化规律进行研究。

除尘器与过滤器进行流场模拟过程中，其滤料部分通常简化为CFD多孔介质模型。但是，如果需要进行气固两相流模拟，则需要解决三个关键问题：(1)多孔介质区域对颗粒的捕集；(2)多孔介质区域压降随粉尘负荷的动态变化；(3)根据表层过滤与深层过滤的特征，实现粉尘在多孔介质区域内不同的分布形式。

经检索，中国专利申请号201910484081.X，发明名称为：一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，申请日为：2019年6月5日，该申请案包括如下步骤：建立SCR脱硝催化剂的细观三维模型；对细观模型进行网格划分；对网格划分后模型进行分析，得到细观条件下SCR脱硝催化剂的阻力值；对所得阻力值进行拟合，得到SCR脱硝催化剂的阻力计算公式；建立SCR脱硝催化剂的宏观模型，基于所述拟合得到的阻力公式，得出惯性阻力系数和粘性阻力系数；基于宏观模型进行数值模拟分析，得到SCR脱硝催化剂的阻力值。但该申请案仅能计算出阻力值，而无法解决气固两相流模拟的问题，不能对过滤介质的压力损失随沉积颗粒量的变化规律进行研究。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

鉴于目前大多利用纤维过滤介质细观结构模型直接进行容尘阶段的数值模拟，而此种方法计算复杂，在目前的数值计算能力下，工作量巨大的问题，本发明提供了一种基于CFD的容尘状态下多孔介质的阻力计算方法，将细观模型的模拟数据作为初始参数，并利用ANSYS-Fluent中用户自定义函数，打破CFD多孔介质模型的局限性，实现了其对颗粒的捕集与负载，进而对容尘阶段压力损失进行计算。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于CFD的容尘状态下多孔介质的阻力计算方法，其步骤为：

步骤一、构建纤维过滤介质的细观三维几何模型；

步骤二、对细观模型进行网格划分，并保证最低网格质量高于0.25；

步骤三、将网格模型导入Ansys-Fluent软件中进行流场分析计算，得到不同填充密度模型在不同过滤风速下的压力损失；

步骤四、对细观模拟的边界条件与相关参数进行设置；

步骤五、通过改变纤维过滤介质的填充密度、纤维直径、厚度与进口流量，得到细观条件下纤维过滤介质的阻力值；