“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室，建造环境课题组（BERL）与南洋理工大学和中国原子能研究院的研究人员合作，在中科院二区TOP期刊《Process Safety and Environmental Protection》（影响因子IF：6.9）上发表了最新研究成果：Impact of pleating on the filtration performance of fibrous air filters.

 

 

 

一、题目

打褶对纤维空气过滤器过滤性能的影响

Impact of pleating on the filtration performance of fibrous air filters

二、作者

Xin Zhang ^{a, b}（张鑫），Junjie Liu ^a（刘俊杰，通讯作者），Haokun Wu ^c（吴昊坤），Bing Feng Ng ^d（吴炳锋）

^a 天津大学环境学院，“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室

^b 南洋理工大学，能源研究所（ERI@N）

^c 中国原子能科学研究院，辐射安全研究所

^d 南洋理工大学，机械与宇航工程学院

三、研究亮点

● 采用双尺度模拟方法成功地进行了纤维过滤器的褶尺度模拟。双尺度模拟方法将纤维尺度模拟与褶尺度模拟相结合，克服了模拟空气过滤过程的尺度限制，并可用于解决类似的多尺度问题。

● 凹陷处纤维模型（压缩）的颗粒穿透率低于凸起处纤维模型（蓬松），而压降则高于凸起处纤维模型，品质因数较低。凸起处纤维模型的品质因子较高，表明蓬松的纤维结构设计对提高过滤性能是有利的。

● 打褶过程造成的滤料厚度变化（正常打褶，未破损）对其颗粒捕获效率影响不大，但对压降有显著影响。打褶区域凹陷的褶模型压降较低，品质因子高于打褶区域凸起的模型。

● 在纤维模型和褶模型中观察到的压降变化模式相反，可以通过打褶区的空气速度变化来解释。凹陷打褶区的透气性低，导致空气速度低，这有利于降低褶模型的总压降，因为大部分空气流过正常区域。相反，凸起的打褶区空气流速较高，进而导致褶模型的压降较高。因此，建议在打褶过程中避免凸起区，凹陷区有利于提高过滤器的性能。

四、研究背景

COVID-19疫情加剧了我们对气溶胶及其从呼吸区去除方法的担忧，去除气溶胶的常用方法是纤维过滤器过滤，这种方法已广泛应用于一般通风系统、空气净化器、口罩等应用。过滤器通过直径从0.01 μm到100 μm的纤维结构捕获颗粒，并基于三种主要机制（扩散、拦截和惯性）从空气中去除不同大小的颗粒。

使用低压降、高效率的空气过滤器可以减少空气输送能耗和过滤材料消耗，从而降低与空气净化相关的碳排放。为了保持过滤器的低压降和高颗粒捕获效率，必须维持较低的过滤速度（通过过滤介质的空气流速）。这主要通过增大过滤面积来实现，同时也有利于提高过滤器的容尘量（DHC）。然而，由于气流管道的横截面积有限，要获得较大的过滤面积便需要对滤纸进行打褶。打褶使用刀式打褶机在滤纸表面形成凹痕，以便于折叠。通常，打褶区需要一个或两个凹痕。图 1 显示了具有两个凹痕的打褶区，在它们之间形成了显著的凸起区，该凸起是由打褶过程中对滤料施加的张力引起的。虽然打褶可以增加过滤面积，但人们仍然担心泄漏的问题，这可能由刀子过度压缩滤纸或折叠过程中的张力引起。泄漏风险在洁净室通风或核泄漏预防等应用场景中尤为重要，为了缓解这些问题，通常采用过滤效率更高的过滤介质来确保在各种应用中实现最佳的过滤性能，但这却导致了额外的能耗。

如图1所示，褶尺度（毫米尺度）明显超过纤维尺度（微米尺度），使用实验方法捕捉这两个尺度上的颗粒过滤细节通常具有挑战性。事实上，许多研究致力于探索纤维或褶尺度的颗粒过滤性能，目的是实现过滤器的更低压降、更高效率和更高DHC。纤维尺度模型采用单纤维或虚拟纤维模型来模拟颗粒捕获过程，考虑气流作用于颗粒的力，颗粒与纤维之间以及颗粒之间的相互作用。相比之下，由于尺度限制和计算消耗，褶尺度模型在考虑其内部的纤维时面临局限性，因此，通常采用多孔介质模型来模拟褶内的流场。

多尺度模拟方法对于全面了解打褶对过滤器性能的影响至关重要。考虑到纤维尺度模型的计算量较大，分步模拟方法被认为适合实现多尺度模拟。鉴于纤维尺度模拟的主要输出是压降和颗粒捕获效率，将这些结果直接集成到褶尺度模型中是可行的。因此，在本研究中，纤维尺度模拟结果被纳入褶尺度模拟中，这是通过两个参数实现的：多孔介质区的透气性和颗粒穿透率。该方法采用三维纤维模型和二维褶模型（亦可为三维），通过过滤器（整个过滤器）和滤料（用于过滤器的过滤材料）的实验结果验证了模拟精度，重点关注压降和颗粒穿透率。我们的研究包括三种不同的厚度——凹陷、正常和凸起——这些厚度可能在打褶过程中出现，分析了厚度变化对纤维尺度性能和褶尺度性能的影响。

 

 

Fig. 1. Multiscale phenomenon of fibrous air filter medium and the effect of pleating on medium’s thickness. Indentation zone and bulge zone are formed during the pleating process.

图1. 纤维空气过滤介质的多尺度现象及打褶对介质厚度的影响。打褶过程中形成凹陷区和凸起区。

五、主要成果

1. 双尺度模拟方法

● 分别进行了滤料和过滤器尺度的实验和模拟研究，过滤器尺度的实验采用图2所示的实验装置，滤料尺度的实验进行了过滤性能的实验和纤维参数的提取（图3）。

● 双尺度模拟的框架见图4，首先进行不同厚度的纤维模型模拟，通过厚度的增加和减少来反映打褶过程中导致的滤料的凹陷和凸起；然后将纤维尺度的模拟结果赋值给褶模型的不同区域，分别考虑打褶造成的区域凹陷、不变和凸起三种情况，并分别考虑了U形、V形平板式和V形筒式三种褶结构。

● 纤维尺度和褶尺度模拟的模型分别如图5和图6所示，表1和表2展示了模型所用的详细参数。网格独立性分析如图7所示，所采用的网格密度可以确保模拟的压降误差在可接受的范围内。图8展示了模拟结果与实验结果的对比，除了部分较大或较小粒径的效率误差较大外，整体的模拟精度较好。

 

 

Fig. 2. Schematic diagram of experimental setup to capture filter pressure drop and particle capture efficiency.

图2. 用于过滤器压降和颗粒捕获效率测试的实验装置示意图。

 

 

Fig. 3. (a) Surface, (b) cross-sectional SEM photos and (c) statistical results of fiber diameter, thickness, and basic weight of M6 filter media.

图3. M6滤料的（a）表面、（b）横截面SEM照片和（c）纤维直径、厚度以及克重的统计结果。

 

 

Fig. 4. Schematic diagram of dual-scale simulation logic. First, a fiber-scale model was simulated to obtain the pressure drop and particle capture efficiency for the indentation, normal, and bulge zones. The pleat-scale model was then connected to the fiber-scale model using the permeability coefficient and a particle capture user-defined function (UDF). These parameters were calculated from the fiber-scale model simulation results and applied in the porous media of the pleat-scale model. Different pleat structures (U-shaped, V-shaped flat, and V-shaped cylindrical) were considered in the pleat-scale simulation.

图4. 双尺度模拟逻辑示意图。首先进行纤维尺度模拟，以获得凹陷、正常和凸起区域的压降和颗粒捕获效率。然后使用渗透系数和颗粒捕获用户定义函数 (UDF) 将纤维尺度模型连接到褶尺度模型，这些参数来自于纤维尺度模型的模拟结果，并应用于褶尺度模型的多孔介质中。褶尺度模拟考虑了不同的褶结构（U 形、V 形平板式和 V 形圆筒式）。

 

 

Fig. 5. Fiber model and boundary conditions used for fiber-scale simulation of M6 filter.

图5. 用于M6过滤器纤维尺度模拟的纤维模型和边界条件。

 

 

Fig. 6. Pleat model and boundary conditions of (a) U-shaped, (b) V-shaped cylindrical, and (c) V-shaped flat pleats.

图6. （a）U形、（b）V形圆筒式和（c）V 形平板式的褶模型和边界条件。

 

Table 1 Experimental and simulation parameters of the fiber-scale models.

表1 纤维尺度模型的实验和模拟参数。

Medium type	Zone	Experimental thickness (μm)	Model thickness (, μm)	Model width (, μm)	Experimental SVF (%)	Model SVF (%)
H13	Bulge	Null	98	20	Null	3.92
	Normal	490	49	20	7.55	7.33
	Indentation	Null	24.5	20	Null	14.52
M6	Bulge	Null	556	150	Null	2.93
	Normal	556	278	150	5.54	5.48
	Indentation	Null	139	150	Null	11.32

 

Table 2 Simulation parameters of the pleats.

表2 褶的模拟参数。

Pleat type	Pleat height (, mm)	Pleat gap (, mm)	Domain length (mm)	Inlet length (, mm)	Outlet length (, mm)	Domain width ( or , mm)
U-shaped	123	7.3	243	20	100	7.3
V-shaped cylindrical	30	Inlet 5.3 Outlet 3.2	100	30	40	Inlet 7.42 Outlet 0.35
V-shaped flat	43	5.3	163	20	100	5.3

 

 

Fig. 7. Mesh independence analysis of (a), (c) fiber-scale models and (b), (d) pleat-scale models of M6 (V-shaped flat pleat) and H13 (U-shaped pleat) filters involved in this study.

图7. 本研究中涉及的M6（V形平板式）和H13（U形）过滤器的（a）、（c）纤维尺度模型和（b）、（d）褶尺度模型的网格独立性分析。

 

 

Fig. 8. (a), (c) Pressure drop and (b), (d) particle penetration rate simulation accuracy of the pleat-scale models (pleat) and fiber-scale models (medium) used in this study.

图8. 本研究中使用的褶尺度模型和纤维尺度模型的（a）、（c）压降和（b）、（d）颗粒穿透率模拟精度分析。

2. 打褶对过滤性能的影响分析

● 打褶造成的影响反映在滤料上主要为厚度的变化，本研究对引起-50%（凹陷）和+100%（凸起）厚度变化的两种极端情况进行了分析。在纤维总数不变的前提下，厚度的变化会引起显著的填充率差异，如图9，当厚度变大时（凸起纤维模型），模型中的流速峰值减小，整体流速降低。从图10的模拟结果来看，凸起纤维模型的颗粒穿透率变高，压降变低，但是品质因子提升，这是因为其穿透率的变化小于压降的变化。

● 图11的模拟结果显示了不同的褶形状都会受到打褶对气流分布的影响，当打褶区域凸起时，会引起褶入口区域显著的流速增加。从图12的模拟结果来看，打褶对过滤器的效率几乎没有影响，而对过滤器的压降有影响，V形褶的影响高于U形褶，这是因为U形褶的打褶区域占比较小。凸起的打褶区域会造成总体的压降升高，这可能与流速的提升有关，凸起部分纤维填充率的降低会使得更多的气流穿过该区域（图13）。而凹陷的打褶区域压降更低，品质因子更高。

 

 

Fig. 9. Velocity contour slices at the midpoint of the width direction for indentation, normal, and bulge fiber models.

图9. 凹陷、正常和凸起纤维模型的宽度方向中部的速度轮廓切片。

 

 

Fig. 10. Simulated (a), (d) particle penetration rate, (b), (e) pressure drop, and (c), (f) quality factor of indentation, normal, and budge fiber-scale models of H13 (a-c) and M6 (d-f) filter media separately.

图10. H13（a-c）和M6（d-f）过滤介质的凹陷、正常和凸起纤维尺度模型的（a）、（d）颗粒穿透率、（b）、（e）压降和（c）、（f）品质因数的模拟结果。

 

 

Fig. 11. Simulated flow field of (a) U-shaped, (b) V-shaped cylindrical, and (c) V-shaped flat pleats under filtration velocity of 5.3cm/s.

图11. 过滤速度为5.3 cm/s时，（a）U形、（b）V形圆筒式和（c）V 形平板式褶的模拟流场。

 

 

Fig. 12. Simulated particle capture efficiency, pressure drop and quality factor of pleats with (a)-(c) U-shaped, (d)-(f) V-shaped cylindrical, and (g)-(i) V-shaped flat structures. Pleat-scale model with indentation, normal, and bulge pleating zones were simulated separately.

图12. （a）-（c）U 形、（d）-（f）V形圆筒式和（g）-（i）V形平板式褶的颗粒捕获效率、压降和品质因数的模拟结果。分别模拟了具有凹陷、正常和凸起打褶区域的褶尺度模型。

 

 

Fig. 13. Statistics of air velocity on the surface of pleating zone under a filtration velocity of 5.3cm/s. (“I”, “N”, and “B” represent indentation, normal, and bulge, respectively.)

图13. 过滤速度为5.3 cm/s时，打褶区域表面气流速度统计（I代表凹陷，N代表正常，B代表凸起）。

 

致谢：

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFC3702803）和中国国家自然科学基金（51978452）的支持。本研究还得到了新加坡国家研究基金会和能源市场管理局（EMAEP009-SEGC-007）的支持。

 

本文引用格式：

Zhang, X., Liu, J., Wu, H., Ng, B. Impact of pleating on the filtration performance of fibrous air filters. Process Safety and Environmental Protection In press, (2024). 

 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.psep.2024.08.110

 

稿件编辑：张鑫

审核人：刘俊杰

田媛

于欣宇