课题组张鑫博士在中科院二区期刊《Powder Technology》（JCR Q1，IF=5.64）上发表了关于HEPA过滤器运行阻力预测的研究论文。

题目：Operating resistance prediction of non-flat HEPA filters

非平板式高效微粒空气（HEPA）过滤器运行阻力预测(https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117718)，该研究获得中国国家自然科学基金委员会（NSFC）的支持。

作者：

Xin Zhang（张鑫，第一作者），Junjie Liu（刘俊杰，通讯作者）

研究亮点：

• 提出了一种新型的高效微粒空气（HEPA）过滤器运行阻力预测模型。

•过滤器表面非均匀的颗粒沉积有利于降低其运行阻力。

• 实现了HEPA过滤器的全尺度、全寿命周期模拟和结构参数优化。

图形摘要：

研究背景：

高效微粒空气（HEPA）过滤器常用于净化住宅和办公建筑等室内环境、汽车座舱和客机座舱等舱室环境内的颗粒物，进而保障在室人员的健康和舒适。HEPA过滤器的寿命主要取决于其效率和阻力，对于非静电作用的介质过滤器，效率和阻力均会随着使用不断提高。效率的提高是有利的，但是阻力的提高会增加运行能耗，降低洁净空气输送量。因此，HEPA过滤器在运行到一定阻力值时就被替换掉。

我们通常采用实验室容尘量测试的方法来确定过滤器的运行寿命，但容尘量测试采用的标准尘（比如A2，A4，ASHRAE尘，SAP粉尘等）无法反映过滤器真实运行环境下的颗粒物粒径分布，因此该方法获得的运行寿命并不能代表真实情况。为了对过滤器的运行寿命有更准确的预测，很多学者通过理论和模拟的方法在褶、滤料、纤维等尺度进行了建模和计算。一个比较大的问题是，颗粒物的尺度和过滤器的尺度往往相差约6个数量级，当我们考虑详细的颗粒物和纤维之间的作用力时，计算区域常常局限于纤维尺度和滤料尺度。在褶尺度进行的计算也需要对纤维捕集颗粒物的过程进行简化处理，因此这些计算只能反映过滤器非常局部的运行性能变化（1/1000 ~ 1/100000），只有在假设过滤器所有区域的颗粒物沉积均匀时，这些结果才能用于整个过滤器的运行性能预测。

对于非平板式过滤器，颗粒物在过滤器表面的沉积并不均匀，过滤器结构对颗粒物非均匀沉积造成的影响仍缺少研究。我们的研究提出了一种等效渗透系数法（EPC）来进行全尺寸过滤器初始阻力和运行阻力的计算，将过滤器在不同运行环境下的颗粒物的粒径分布考虑在内。EPC方法通过对典型的非板式HEPA过滤器（V型和筒形）进行简化，将纤维捕集颗粒物的过滤理论与计算流体力学（CFD）方法进行结合，通过计算不同颗粒物负载下多孔介质区域的等效渗透系数，实现了全尺寸HEPA过滤器运行阻力的模拟，与基于A2尘的实测数据对比，相对误差<4%。基于EPC方法，我们研究了V型和筒形过滤器表面颗粒物的沉积规律，以A2尘为例，大约有60%（计重）的颗粒物沉积在V形结构底部2/5的区域。通过均匀沉积和非均匀沉积的对比，我们发现非均匀沉积的情况下，过滤器的运行阻力有所降低，尽管在2倍初始阻力的范围内，该降低幅度较小，但其原理或可用于非均匀捕集的过滤器结构设计。同时，我们基于该模型实现了V型和筒形过滤器结构参数的优化设计。

主要成果：

1.采用等效渗透系数（EPC）法实现了全尺寸过滤器运行阻力预测

将打褶的滤料单元简化为多孔介质区域，假设多孔介质区域内部的纤维直径分布与真实滤料相同，纤维填充率根据过滤器实测的初始阻力计算。

过滤器运行过程中，假设颗粒在多孔介质区域内均匀分布，沉积的颗粒等效为相同体积的纤维，通过纤维介质的压降模型计算运行过程中的渗透系数，进而模拟出运行阻力。

Fig. 1 Simplified model diagram for calculating the EPC of a filter media zone, an example of V-shape filter.

图1. 以V型过滤器为例的等效渗透系数（EPC）法原理示意图。

2.过滤器初始及运行阻力的准确预测及颗粒不均匀沉积的降阻效果

基于过滤器初始阻力的实验结果进行多孔介质区域渗透系数的理论计算，实现了全尺寸过滤器初始和运行阻力的模拟。运行阻力预测相对误差<4%。

通过对比颗粒物均匀沉积和真实沉积（非均匀）下过滤器的运行阻力，发现非均匀沉积具有一定的降阻效果，但在2倍初始阻力以内并不显著。

Fig. 2 Comparison between experimental and simulated initial resistances of filters with different structures.

图2.V型和筒形过滤器初始阻力实验值与模拟值的对比。

Fig. 3 Experimental and simulated results of the filters’ operating resistance considering uniform and non-uniform particle deposition.

图3. V型和筒形过滤器运行阻力实验值与模拟值的对比，并考虑了颗粒物非均匀沉积的影响。

3.V型和筒形过滤器流场和表面颗粒沉积规律

V型和筒形过滤器下游均存在显著的射流，筒形过滤器中部射流更加强烈，V型过滤器在下游形成多个小射流，并向中部聚拢。

筒形过滤器内部压力场呈现显著的分层规律，而V型过滤器下游V形结构内部的压降变化较小。

粒径10μm以下的颗粒物沉积均匀性较好。筒形过滤器上风侧1/5区域沉积颗粒物较少；以A2尘为例，大约有60%（计重）的颗粒物沉积在V形结构底部2/5的区域。

Fig. 4 Velocity (a) and pressure (b) contour diagrams of the flow field of filters with different structures.

图4. V型和筒形过滤器的速度场和压力场云图。

Fig. 5 Schematic diagram of uneven particle deposition on the surface of filters with different structures.

图5. V型和筒形过滤器表面颗粒物沉积分布示意图。

本文引用格式：

X. Zhang, J. Liu, Operating resistance prediction of non-flat HEPA filters, Powder Technol. (2022) 117718. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117718.