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粉尘沉积形成滤饼结构的分形研究
作者:管理员    发布于:2016-01-21 09:05:49    文字:【】【】【

  除尘技术的研究对象主要是悬浮于气体中的固体颗粒,其极少数为球形的,它大多数为形状不规则的尘粒。在过滤过程中,许多粉尘颗粒在过滤介质表面凝聚在一起而形成松而不散“的树技状粉尘层,沿用液体过滤理论的习惯说法,在此我们称其为滤饼。

  滤饼是具有不同外形,不同尺寸的固体颗粒沉积聚合而形成的,而且受到过滤条件的影响,因此,滤饼具有极其复杂的内部结构,难以用传统的几何学进行描述,分形理论的建立为滤饼结构的描述提供了一种合适的理论模型。80年代,人们就开始应用分形理论研究粉尘群的几何特征,滤饼结构分形研究的目的是寻求滤饼结构分形维数与物料的比表面积及各操作条件的关系,探索滤饼孔隙率、滤饼厚度及粉尘颗粒直径、粒径分布与滤饼分形维数的关系。探讨滤饼分形结构与过滤性能的关系。颗粒形态及滤饼内部结构的定量描述、滤饼结构的分形研究对深入研究过滤机理具有重要意义。

  因此,本文采用计算机模拟方法,对滤饼中颗粒的凝聚机理进行简化,将所过滤的物料外形形态简化为球形颗粒,进行计算机程序设计,模拟滤饼的生长过程,对滤饼结构的分形维数进行计算,在简化模型的基础上,分析滤饼结构分形与滤饼孔隙率,滤饼厚度以及固体颗粒粒径的理论关系。探索滤饼结构分形研究的新方法及新途径。

  2滤饼生成的计算机模拟21滤饼的生成当含尘气体在过滤过程中,粉尘固体颗粒被滞留在过滤介质表面,在其表面形成粉尘层,即形成滤饼,滤饼的产生使过滤介质间孔隙进一步被阻塞,因而导致过滤介质压力损失和能耗的增加。滤饼形成的物理机理是极其复杂的,其生长和结构的规律以及其形成的物理机理目前尚不清楚。为了解滤饼生长和结构的规律以及其形成的物理机理对滤饼中的颗粒进行受力分析,一般而言,在粉尘固体颗粒上可能存在以下几种力:(1)空气动力;(2)范德华力;(3)静电力;(4)重力;(5)布朗扩散作用力;(6)其它作用力。

  这些作用力可能同时存在,也可能仅部分存在。在滤饼形成过程中这些力的作用力大小及强度与过滤介质表面粗糙度和粉尘颗粒的形状密切相关。对于这些作用力如何导致滤饼的形成,目前科学尚无法进行定量的描述和分析。

  至今,似乎尚没有确定的模型去模拟粉尘固体颗粒在过滤介质表面的沉积过程。影响了人们对其深入的分析和研究。因此,我们需要对滤饼的形成过程进行分析,进行必要的简化,考虑主要因素的影响,用简化的形式去虚拟和再现复杂的自然滤饼形成的过程。

  22滤饼形成简化模拟模型的建立粉尘颗粒在滤饼形成过程中可能受到许多力的作用,但在大多数场合,我们一般不考虑静电力,重力和其他作用力,对大多数过滤过程仅存在空气动力,范德华力和布朗扩散的作用,当粉尘粒径大于1Mm时,布朗扩散作用可以忽略不计。由于我们关心的是具有较大浓度的工业粉尘,通常大多数粒径大于1Mm,为了使模拟模型简化,在模型中,忽略扩散作用,忽略单纤维周围存在流场对颗粒运动轨迹的影响。

  沉积模拟模型假设条件为:粉尘颗粒不受静电力、重力以及其它力的影响。

  忽略粉尘颗粒中存在布朗无规则运动,颗粒在流场中作直线运动。

  忽略单纤维周围存在流场对颗粒运动轨迹的影响,颗粒在流场中作直线运动遇到纤维时直接与其相撞,运动轨迹不产生偏转。

  粉尘颗粒物撞击纤维时,因颗粒物与纤维表面间的范德华力而被粘在纤维上。

  粉尘颗粒相互撞击时,因颗粒物表面间的范德华力而相互被粘结在一起。

  忽略颗粒间相互作用力对颗粒运动粒运动产生的影响,颗粒与颗粒间不存在可压缩现象,即滤饼是不可压缩的。

  理论上,颗粒沉积分形研究模型由以下步骤建立:选择平行或交叉等间距排列的圆柱体来表征过滤介质,用二层不同厚度平行或交叉等间距排列的圆柱体来表征复合或覆膜过滤介质。

  选择颗粒向过滤介质运动时经过的控制表面。

  在颗粒运动控制表面,采用随机函数安排颗粒运动的初始位置。

  确定颗粒运动的轨迹,在本模型中假设颗粒作直线运动。

  确定颗粒的运动状态,判断颗粒是否被纤维捕集或是否颗粒相互被粘住而聚合。在本模型中判断一个微粒是否被纤维捕集体接触,如果接触,则产生沉积、判断一个微粒是否与其他微粒相接触,如果接触则产生聚合。

  确定微粒的运动状态后,模拟粉尘颗粒沉积状态,计算滤饼容密度填充率)、孔隙率、无因次密度及无因次厚度等参数。

  通过大量数据运行计算,采用回归分析方法,得出滤饼容密度填充率)、孔隙率与其它参数的关系,分析得出滤饼的分形维数。

  23模型中存在的缺陷理论上,此随机模型给出了模拟粉尘沉尘的而又直接的方式,用它可评价过滤性能,其中包拮捕集效率和压力损失的增量,也可评价滤饼的填充率和孔隙率。但实际上,此随机模型仅是一种近似,因为它忽略了一些影响因素和缺少一些确定的信息。

  忽略了粉尘颗粒存在无规则的布朗扩散运动,对颗粒沉积产生的影响。

  随着沉积的进行,纤维的几何形状变的不规则,沉积形成树技状的结构,使得分析纤维周围的流场十分困难。因此,随机模型忽略了流场对沉积的影响。

  实际上,在某种条件下,范德华力有时会不足以粘住粒子,粘结程度与颗粒的物性、颗粒的运动速度以及过滤介质的物性有关。许多大颗粒粉尘会因反弹力而逃离纤维。Loffer1971)与Hiller1980)等人曾对反弹问题进行了大量研究。

  目前的知识,不允许我们对压缩状态做出定量的假设。即使Dahneke1971)已提出一些改进后的理论,但这些理论难以应用。因为,他的理论中仍存在一些未知的物质变量。

  滤饼结构实际上是三维结构,其分布在各方向是不均匀的,本程序模拟的粉尘沉积形成的滤饼结构是二维结构见),本沉积模拟无法模拟三维滤饼结构。三维沉积模拟的建立及开发,有待于进一步的研究。

  3滤饼结构的分形维数模拟滤饼是具有不同几何外形、不同尺寸的固体颗粒沉积聚合而形成的,而且还受过滤条件的影响,因此,滤饼具有极其复杂的内部结构,难以用传统的几何学进行描述,分形理论的建立为滤饼结构的描述提供了一种合适的理论模型。

  由模拟计算结果可知:粉尘颗粒粒径越大,其形成滤饼的孔隙率越小,粉尘颗粒越不均匀,其形成滤饼的孔隙率越小,相同颗粒粒径条件下,粉尘颗粒数增多,孔隙率趋于减少。

  引入滤饼无因次厚度概念,其定义为:引入滤饼无因次颗粒数概念,其定义为:引入粉尘颗粒数无因次比概念,其定义为:LXLnXL,L为沉积物的平均厚度,即滤饼厚度,m;dp为粉尘颗粒直径,m;X为过滤介质的水平长度,m;N为沉积物中粉尘的颗粒数;因此,粉尘颗粒数无因次比实际意义为单位面积滤饼中粉尘颗粒的面积填充率a经过大量的粉尘沉积模拟,得出粉尘无因次颗粒数与滤饼无因次厚度的关系如圄2所示。

  通过回归分析可得:令D-1+S则得:由豪斯道夫的分形维数定义:上式极限存在,所以,可以得出滤饼面积分形维数为D.将式(3)。(10)代入式(4)得:式11)为粉尘无因次密度与无因次厚度的关系规律,即粉尘的面积填充率与无因次厚度的关系规律。

  通过模拟及数据统计回归可知对于等粒径粉尘形成的滤饼而言,当模拟颗粒数趋于无穷大时,其滤饼分形维数均趋于D―2.对于非等粒径粉尘形成的滤饼而言,粉尘粒径分布不同,其分形维数不同,不同粒径分布粉尘形成滤饼分形维数见表表1不同粒径分布粉尘形成滤饼分形维数对比一览表等粒径粉非等粒径粉尘―+等粒径粉滤饼分形维数D由表1分析可知分形维数D表征了介质不均匀性和不规则特性对于单一粒径颗粒沉积,其形成滤饼的分维数D-2,沉积是均匀的,如果DO2,沉积是不均匀的。

  分析可知粉尘的粒度分布越宽,形成滤饼的分形维数越大,小颗粒对大颗粒的钻隙能力越强,其滤饼的孔隙率e越小。

  4滤饼结构研究存在的问题及发展由于目前人们对粉尘颗粒互相作用力之间的关系认识及了解不深,计算机模拟粉尘沉积形成滤饼时,对粉尘颗粒间的互相作用力进行了忽略及简化,忽略滤饼结构可能存在的压缩现象;由于计算机计算速度及编程水平等条件的限制,本计算机所模拟出的滤饼结构为二维结构而非真实的三维滤饼结构,它可视为真实滤饼结构的一个剖面。由此可见,各种条件的限制导致计算机模拟粉尘颗粒形成滤饼结构模型存在缺陷,使得模拟形成的滤饼结构仅仅是真实滤饼结构的简化及近似。

  滤饼结构的研究目前在国内外,很难找到相关的研究,本章的研究在滤饼结构的分形维数的描述及滤饼结构孔隙率与粉尘粒径的关系上进行了一些模拟研究工作,在此方面进行了一些探索及思考,但在滤饼结构的模拟研究中存在不少缺陷:滤饼结构的真实孔隙率很难实测研究,本章研究没有进行模拟结果与实际测试结构进行分形对比,仅对国外相关研究提出的关系式,进行了对比及分析,认为计算机模拟研究粉尘颗粒形成的滤饼结构是可行的。

  由于研究设备条件的限制,本章研究没有对滤饼结构分形维数进行测试与模拟结构对比和分析;过滤介质孔隙率对形成滤饼结构的影响因素没有考虑。

  5研究结果粉尘沉积模拟研究结果如下:(1)通过引入无因次颗粒数及无因次厚度的概念,根据豪斯道夫的分形维数定义,提出了滤饼分形维数的计算方法,通过模拟及统计回归,得出滤饼孔隙率与分形维数的关系,分形维数D与粉尘颗粒分布宽度a的关系。粉尘的粒度分布越宽,形成滤饼的分形维数越大,小颗粒对大颗粒的钻隙能力越强,其滤饼的孔隙率e越小。

  通过大量粉尘沉积计算机模拟运算,并采用统计回归方法得出:滤饼面积填充率与无因次厚度的关系规律为:滤饼无因次密度与无因次厚度的关系规律为:滤饼无因次厚度与无因次颗粒数的关系规律为:等粒径粉尘计算机模拟形成滤饼的分形维数D为2.391 612.10901,其平均分形维数为:D=2.11178.分形维数D表征了介质不均匀性和不规则特性,对于单一粒径颗粒沉积,其形成滤饼的分维数D=2,沉积是均一的(同性质的),如果D中2,沉积是不均匀的。

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