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    科研進展

    新疆理化所在空氣過濾材料的設計及優化研究領域取得進展

    發布時間:2023-09-12
     

    燃氣輪機是一種高效清潔的能源轉換裝置,被譽為工業裝備制造業皇冠上的明珠。燃氣輪機通過將干燥潔凈的空氣與燃油混合以產生能量,其進氣過濾系統的主要功能是保護燃氣輪機免受空氣中顆粒物的污染,以保證燃氣輪機發電機組安全可靠運行。纖維類材料具有比表面積大、孔徑分布可控、體積蓬松、價格低廉等特點,是空氣過濾領域的主流產品。針對復雜環境下的空氣過濾需求,玄武巖纖維因其優異穩定性,成為一種新型高效空氣過濾材料。然而,由于纖維材料內部微觀結構的復雜性,以及過濾參數(顆粒直徑分布、氣流速度等)耦合作用,過濾效率和壓降存在“trade-off”權衡關系,對過濾材料的設計和優化帶來了巨大挑戰。

    近期,中國科學院新疆理化技術研究所科研人員提出了一種基于計算流體力學(CFD)模擬與響應曲面法(RSM)相結合的纖維過濾過程預測與優化方法,對纖維過濾過程進行了可視化研究。通過數字重構纖維過濾材料的三維微尺度模型,以CFD-DPM模型預測纖維介質的過濾性能,追蹤粒子在濾材中的運動軌跡和特征流場,分析攔截、碰撞和布朗運動耦合過濾機理對粒子捕獲的影響規律。進一步通過建立過濾性能與過濾參數之間的映射關系,結合RSM實現對過濾參數的多目標優化。通過RSM分析發現過濾參數對過濾效率的影響存在耦合效應,利用過濾原理與Stk數和Pe數變化詳細解釋了其耦合效應。而壓降隨固體體積分數和氣流速度的增大而增大,但不受顆粒直徑的影響。綜上所述,本研究通過CFD模擬與RSM優化相結合,闡明過濾參數之間的相互作用關系,這種方法為高效篩選過濾材料和濾材設計與優化開辟了新的途徑。

    上述研究成果近日發表在化工領域期刊《Chemical Engineering Science》上。中國科學院新疆理化技術研究所為該研究工作第一完成單位,博士生梁存光為論文第一作者,團隊負責人馬鵬程研究員和李慧副研究員為論文通訊作者,該研究工作得到新疆維吾爾自治區自然科學基金、新疆天山英才-科技創新領軍人才項目等支持。


    圖:基于CFD-RSM方法的纖維過濾介質設計及優化流程


     

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