1.1 研究背景和意义
过滤在多种气-固两相流应用中起着至关重要的作用[1]，例如，在汽车发动机应用过滤技术以减少发动机的磨损并保护发动机内的电子传感器、机舱中使用空气过滤器从而使乘客有一个更加舒适的空间、在工业生产中使用微粒过滤器从而减少废气排放、在口罩中使用过滤布从而阻挡细菌和外界的空气中的固体颗粒。
在产品开发周期更短、产品复杂性更高的今天，在产品设计阶段预测压降和过滤效率等性能因素至关重要[2]，在如今，仿真工具已能成功应用于模拟纤维结构并且预测微观颗粒过滤，并且在过滤行业已经得到了广泛的使用，为新理论的验证提出了新的方式。
2.1 纤维直径对过滤性能的影响研究
本组试验设置了五组不同的纤维直径，纤维直径分别设置为2μm、3.5μm、5μm、6.5μm、8μm，在相同的填充度和上游流速的条件下，在FlowDict模块中进行计算，并得到五组对应的压降，将纤维直径作为横坐标，压降作为纵坐标进行散点图的绘制，得到如图3.1所示的曲线。
在得到曲线后，利用Origin软件对曲线进行拟合，在可选择的方程类型中，拟合度最高、误差最小的方程为allometric方程，该方程为：
（2-1）
R2为0.9961，R2的取值在0到1之间，R2的取值越接近1，就说明方程的拟合度就越高，R平方为0.9961，拟合度较高。由图3.1可知，在直径从2μm增加到6μm的区间内，函数曲线的下降趋势较快，在直径从6μm增加到8μm的区间内，曲线变化趋势较小，压降逐渐趋于稳定，由于函数曲线的拟合度相对较高，因此在填充度和上游流速不变的情况下，可以借助该方程预测后续的压降变化。
图2.1 相同填充度、上游流速，不同纤维直径下的压降曲线
本组试验同样设置了五组不同的纤维直径，纤维直径分别设置为2μm、3.5μm、5μm、6.5μm、8μm，在效率计算的过程中，向纤维材料中发射15组不同粒子直径的粒子，得到了如图2.2所示的不同的过滤效率。由表可知，当粒子直径增加时，留在过滤纤维表面的粒子就越多，能流动通过纤维层的粒子数量就越少，甚至在后面几组粒子直径较大的区间内，没有粒子能够流过，这就是致使过滤效率达到100%的主要原因。在粒子直径缓慢增加的过程中，2μm纤维直径下对应的效率最先达到100%，接着分别是3.5μm、5μm、6.5μm，最后达到100%效率的为8μm纤维直径对应的过滤效率。 
图2.2 不同纤维直径对应的过滤效率曲线
2.2 纤维填充度对过滤性能的影响研究
本组试验设置了五组不同的纤维填充度，纤维填充度分别设置为5 %、7.5 %、10 %、12.5 %、15 %，在相同的纤维直径和上游流速的条件下，在FlowDict模块中进行计算，将纤维填充度作为横坐标，压降作为纵坐标，进行绘图并且用软件进行拟合得到拟合度最高、误差最小的方程为allometric方程，该方程如（2-2）,R2为0.97816，该方程的拟合度同样接近1，有较高的拟合度。由图2.3可知，当纤维填充度增加时，压降随填充度增长的速率基本保持不变。
（2-2）
图2.3 相同纤维直径、上游流速，不同填充度下的压降曲线
本组试验同样设置了五组不同的纤维填充度，纤维填充度分别设置为5%、7.5%、10%、12.5%、15%，在计算效率的过程中，向纤维材料中发射15组不同粒径的粒子。如图2.4所示，当粒子直径增加时，15%填充度对应的过滤效率最先达到平衡，其次是12.5%、10%、7.5%，最慢过滤效率到达100%的是5%对应的过滤效率，当粒子直径为40μm时才达到100%，由变化规律推测，当填充度增大时，相同空间内，粒子聚集程度更加集中，因此更容易形成粒径稍大的团体，因此被过滤纤维捕获的概率就越大，因此过滤效率也就越高。
图2.4 纤维填充度对过滤效率的影响
3. 总结
当上游流速不同，纤维直径和填充度相同的情况下，上游流速升高，压降，同一粒子直径下的过滤效率也升高，上游流速为1m/s时，固体颗粒的过滤效率最先达到100%。当填充度不同，纤维直径和上游流速不同的情况下，填充度增加，压降增加，同一粒子直径下的过滤效率升高，纤维填充度为15%时，过滤效率最先达到100%。当纤维直径不同，上游流速和填充度相同的情况下，直径增加，压降减小，同一粒子直径下的过滤效率降低，直径为2um时，过滤效率最先达100%.
参考文献
[1] 高阳,蔡志江.静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用研究进展[J].高分子通报,2013(12).
[2] 刘成宝,李敏佳,刘晓杰,陈志刚.超疏水材料的研究进展[J].苏州科技大学学报(自然科学版),2018,35(04):1-8.
