燃气轮机是高效清洁的能源转换装置，被誉为工业装备制造业“皇冠上的明珠”。燃气轮机通过将干燥洁净的空气与燃油混合以产生能量，其进气过滤系统的主要功能是保护燃气轮机免受空气中颗粒物的污染，以保证燃气轮机发电机组安全可靠运行。纤维类材料具有比表面积大、孔径分布可控、体积蓬松、价格低廉等特点，是空气过滤领域的主流产品。针对复杂环境下的空气过滤需求，玄武岩纤维因优异稳定性，成为新型高效空气过滤材料。然而，由于纤维材料内部微观结构的复杂性以及过滤参数(颗粒直径分布、气流速度等)耦合作用，过滤效率和压降存在“trade-off”权衡关系，对过滤材料的设计和优化带来了挑战。
近期，中国科学院新疆理化技术研究所提出了一种基于计算流体力学(CFD)模拟与响应曲面法(RSM)相结合的纤维过滤过程预测与优化方法，对纤维过滤过程进行了可视化研究。该工作通过数字重构纤维过滤材料的三维微尺度模型，以CFD-DPM模型预测纤维介质的过滤性能，追踪粒子在滤材中的运动轨迹和特征流场，分析拦截、碰撞和布朗运动耦合过滤机理对粒子捕获的影响规律。进一步，该研究通过建立过滤性能与过滤参数之间的映射关系，结合RSM实现对过滤参数的多目标优化。RSM分析发现，过滤参数对过滤效率的影响存在耦合效应，利用过滤原理与Stk数和Pe数变化详细解释了其耦合效应。而压降随固体体积分数和气流速度的增大而增大，但不受颗粒直径的影响。综上，本研究通过CFD模拟与RSM优化相结合，阐明过滤参数之间的相互作用关系，这为高效筛选过滤材料和滤材设计与优化开辟了新途径。
近日，相关研究成果近日发表在《化学工程科学》(Chemical Engineering Science)上。新疆理化所为该工作的第一完成单位。研究工作得到新疆维吾尔自治区自然科学基金和新疆天山英才-科技创新领军人才项目等的支持。
基于CFD-RSM方法的纤维过滤介质设计及优化流程
