颗粒表面能与球形度如何影响过滤？

FLUENT-EDEM颗粒过滤仿真

研究背景与意义

气固两相流过滤是工业除尘、洁净室空气净化和发动机进气系统的核心技术。纤维过滤器的过滤效率与压降特性受颗粒物性的显著影响，其中颗粒表面能与球形度是关键参数。传统实验方法难以独立控制单一变量，难以揭示微米尺度颗粒-纤维相互作用的微观机理。CFD-DEM耦合方法在颗粒尺度解析流体-颗粒相互作用，为揭示过滤机理提供了有力工具。

仿真方法

本研究采用FLUENT-EDEM耦合框架，在FLUENT中求解连续相（空气）的Navier-Stokes方程，在EDEM中基于Hertz-Mindlin接触模型追踪离散颗粒运动。计算域为二维简化纤维阵列模型，纤维直径10 μm，间距50 μm。入口速度0.1 m/s，颗粒直径1~5 μm，颗粒浓度1000个/m³。研究了三种表面能（0.01、0.1、1.0 J/m²）和四种球形度（0.6、0.7、0.8、0.9）对过滤性能的影响。图1展示了计算域几何模型与网格划分，采用结构化四边形网格，近纤维区域加密以保证边界层分辨。

表面能对过滤效率的影响

表面能决定颗粒-纤维间的粘附力大小。仿真结果表明：表面能从0.01 J/m²增加到1.0 J/m²时，过滤效率从62.3%显著提升至89.7%。高表面能颗粒在接触纤维后更难被气流剪切力剥离，沉积稳定性增强。图4展示了不同表面能条件下纤维表面颗粒沉积形态：低表面能时颗粒呈松散堆积，高表面能时形成致密树枝状结构。值得注意的是，过滤效率提升以压降增加为代价——高表面能时压降增幅达35%，因致密沉积体显著减小流通面积。

球形度对过滤性能的影响

颗粒形状偏离球形会改变气动阻力系数和接触力学行为。低球形度（0.6）颗粒在纤维表面形成"架桥"效应，颗粒间互锁增强沉积层稳定性，过滤效率达91.2%。高球形度（0.9）颗粒趋于滚落和二次夹带，过滤效率降至78.5%。图5对比了四种球形度下纤维表面颗粒沉积形貌：不规则颗粒形成多孔但稳定的沉积层，球形颗粒形成致密但易脱落的堆积。压降方面，低球形度的多孔沉积层有利于气流通过，压降增幅仅18%，优于高球形度时的28%。

沉积层演化与压降分析

过滤过程可分为三个阶段：初始清洁阶段（t < 0.01 s）、颗粒沉积生长阶段（0.01 s 0.05 s）。图6展示了表面能0.1 J/m²、球形度0.8条件下不同时刻的沉积层形态演化。沉积层厚度随时间近似线性增长，压降与沉积层厚度呈二次方关系，符合经典Kozeny-Carman模型预测。图7展示了最终时刻不同条件下的纤维表面颗粒浓度分布——高表面能+低球形度组合在纤维上游形成最显著的"尘饼"结构。

结论与工程应用

本研究通过FLUENT-EDEM耦合仿真系统揭示了颗粒表面能与球形度对纤维过滤性能的影响机理：(1) 表面能是决定颗粒-纤维粘附稳定性的主导参数，效率提升以压降为代价；(2) 低球形度通过颗粒互锁增强沉积稳定性，同时保持较低压降；(3) 高表面能+中等球形度（~0.7）是兼顾过滤效率与压降的最优组合。研究成果为工业纤维过滤器设计提供了颗粒级机理指导——通过表面改性或形貌调控可优化过滤性能，无需改变过滤器结构。

图1 二维纤维阵列计算域与网格划分

图2 网格无关性验证结果

图3 不同表面能下颗粒沉积形态对比

图4 不同球形度下纤维表面颗粒沉积形貌

图5 不同时刻沉积层形态演化（表面能0.1 J/m²，球形度0.8）

图6 最终时刻纤维表面颗粒浓度分布云图

图7 颗粒表面能与球形度对过滤效率的耦合影响

仿真服务

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