Modélisation des valeurs de chute de pression à travers ultra

Jan 12, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5449 (2023) Citer cet article

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Des simulations informatiques de dynamique des fluides de filtres fibreux avec 56 combinaisons de différentes tailles de fibres, densités de garnissage, vitesses frontales et épaisseurs ont été menées pour développer des modèles qui prédisent les chutes de pression à travers les filtres en nanofibres. La précision de la méthode de simulation a été confirmée en comparant les chutes de pression numériques aux données expérimentales obtenues pour les filtres en nanofibres électrofilées de polyacrylonitrile. Dans les simulations, un effet de glissement aérodynamique autour de la surface des petites nanofibres a été considéré. Les résultats ont montré que, contrairement au cas de la théorie de la filtration conventionnelle, les chutes de pression à travers les couches minces des filtres en nanofibres électrofilées ne sont pas proportionnelles à l'épaisseur. Cela pourrait être un facteur critique pour obtenir des chutes de pression précises à travers les filtres en nanofibres électrofilées avec des couches extrêmement minces. Enfin, nous avons dérivé le produit du coefficient de traînée et du nombre de Reynolds en fonction de la densité de tassement, du nombre de Knudsen et du rapport de l'épaisseur au diamètre de la fibre pour obtenir l'équation de corrélation pour la prédiction de la chute de pression. L'équation obtenue prédit les chutes de pression à travers les filtres en nanofibres avec une différence relative maximale inférieure à 15 %.

L'impact négatif de la pollution de l'air ne saurait être surestimé. Il menace le système respiratoire humain et cause ainsi de graves problèmes de santé, notamment les maladies cardiaques, la pneumonie, les accidents vasculaires cérébraux, le diabète et le cancer du poumon1,2,3,4. Étant donné que l'on estime que des millions de décès chaque année sont causés par l'exposition à la pollution de l'air intérieur et extérieur, l'Organisation mondiale de la santé (OMS) considère la pollution de l'air comme le plus grand risque environnemental pour la santé5,6. Les matières particulaires (MP), un mélange complexe de fines particules solides et liquides de diverses compositions chimiques, sont l'un des principaux polluants atmosphériques1,7. La petite taille et la grande surface des PM2,5 (taille aérodynamique inférieure à 2,5 µm) peuvent pénétrer profondément dans les poumons humains et peuvent être toxiques, augmentant ainsi la morbidité et la mortalité8,9,10,11. Par conséquent, il est très important de contrôler et d'éliminer efficacement les PM de la vie quotidienne des humains.

La filtration de l'air est considérée comme l'une des méthodes les plus efficaces pour contrôler la qualité de l'air. Ceci est généralement réalisé en utilisant une membrane et des matériaux fibreux12,13. La performance des matériaux filtrants peut être évaluée à l'aide de divers paramètres14. En général, la performance des filtres est évaluée par le facteur de qualité (\({\text{QF}} = - \ln \;(1 - \eta )/\Delta P\)) ; par conséquent, la chute de pression (ΔP) à travers le média filtrant est un facteur important en plus de l'efficacité d'élimination (η) mesurée en termes de consommation d'énergie15,16. Les filtres à air de type fibreux sont largement utilisés dans de nombreuses applications de filtration en raison de leurs structures hautement poreuses (c.-à-d. faible densité de garnissage) par rapport aux filtres de type membrane17. Les filtres à air fibreux conventionnels sont constitués de fibres de diamètres divers allant de quelques microns à des dizaines de microns. Ces fibres de grande taille nécessitent une épaisseur importante pour capter les particules avec une efficacité d'élimination élevée, ce qui induit de fortes pertes de charge. Pour résoudre ce compromis entre efficacité et chute de pression, les filtres en nanofibres avec des tailles de fibres allant de dizaines de nanomètres à des centaines de nanomètres, qui sont produits par un processus d'électrofilage, ont attiré une attention considérable18,19,20,21,22. L'un des avantages distincts des filtres en nanofibres est qu'en raison du glissement aérodynamique autour de la surface des petites nanofibres, la résistance au flux de gaz est réduite, ce qui entraîne des chutes de pression plus faibles à travers les fibres individuelles23,24,25,26.

Pour développer cette technique prometteuse, de nombreux chercheurs ont effectué des recherches expérimentales liées à des paramètres de performance tels que la résistance mécanique, l'efficacité d'élimination et la chute de pression27. Leung et al.28 ont examiné les effets de la densité et de l'épaisseur du garnissage sur l'efficacité d'élimination et la chute de pression en empilant des couches de nanofibres d'oxyde de polyéthylène d'un diamètre moyen de 208 nm. Leur étude a révélé que les filtres en nanofibres multicouches réduisent considérablement la perte de charge par rapport à la couche unique avec la même quantité de dépôt de nanofibres. Zhang et al.29 ont développé des filtres en nanofibres de polyimide électrofilés avec une stabilité à haute température pour l'application de l'élimination des PM2,5 des gaz d'échappement des voitures. Xia et al.30 ont examiné la relation entre la chute de pression et la vitesse frontale pour les nanofibres électrofilées en recueillant 122 données expérimentales de la littérature. De plus, des simulations de dynamique des fluides computationnelle (CFD) ont été utilisées pour étudier les caractéristiques d'écoulement complexes à l'intérieur des filtres en nanofibres, car l'approche numérique présente l'avantage d'un réglage simplifié des paramètres de filtration31. Hosseini32 a développé des simulations CFD 3D pour estimer les chutes de pression à différentes densités de garnissage et tailles de fibres. Quan et al.33 ont modélisé numériquement l'effet de glissement sur une seule nanofibre pour trouver les fibres fonctionnelles optimales à effet de glissement, qui pourraient être applicables aux filtres fibreux à structure sandwich pour réduire les chutes de pression.

Plusieurs études ont porté sur la prédiction des chutes de pression à travers les filtres fibreux. Un modèle théorique pour prédire les chutes de pression à Kuwabara34 en supposant que les fibres de même taille sont uniformément réparties perpendiculairement à l'écoulement. Davies35 a proposé une expression empirique de la chute de pression à travers les fibres valable pour la densité de tassement inférieure à 0,3. Cependant, les équations de chute de pression de Kuwabara34 et Davies35 ne tenaient pas compte de l'effet de glissement qui réduit la traînée hydrodynamique sur les nanofibres. Brown36 a suggéré une équation théorique modifiée du modèle de Kuwabara avec l'effet de glissement pour les nanofibres. Récemment, une équation empirique pour prédire la chute de pression à travers les nanofibres a été fournie par Bian et al.37 sur la base des chutes de pression expérimentales de 25 nanofibres de nylon électrofilées.

Malgré les études susmentionnées sur les performances des nanofibres électrofilées, les recherches précédentes se sont principalement concentrées sur l'amélioration de l'efficacité d'élimination et de la perte de charge, le développement d'outils de simulation ou l'examen des effets des paramètres de filtration limités. Par conséquent, les effets combinés des paramètres importants tels que la taille des fibres, la densité de tassement, la vitesse frontale et l'épaisseur sur les performances de filtration doivent être étudiés plus avant. Dans cette étude, des simulations CFD de 56 cas avec diverses conditions de taille de fibre (50–800 nm), de densité de tassement (0,02–0,08), de vitesse frontale (5–20 cm/s) et d'épaisseur (0,25–80 µm), qui sont les paramètres dominants des filtres typiques en nanofibres électrofilées, ont été menées à l'aide de nanofibres placées au hasard. Sur la base de la théorie de filtration conventionnelle et des chutes de pression obtenues numériquement, une équation de corrélation en fonction des paramètres a été développée pour prédire les chutes de pression à travers des filtres en nanofibres ultra-minces.

Sur la base de la théorie de la traînée, qui suggère que la chute de pression des filtres fibreux propres dépend de l'équilibre des forces, Wong38 a proposé la chute de pression à travers le média fibreux, ΔP, comme suit :

où CD est le coefficient de traînée, ρ est la densité du fluide, α est la densité de remplissage des fibres, L est l'épaisseur du filtre, df est le diamètre de la fibre et U0 est la vitesse frontale. De plus, White39 a découvert que le coefficient de traînée des filtres fibreux est inversement proportionnel au nombre de Reynolds (\({\text{Re}} = \frac{{\rho U_{0} d_{f} }}{\mu }\) ) et peut être corrélé avec la densité de tassement, c'est-à-dire \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}} = f\;(\alpha )\). Par conséquent, l'éq. (1) peut être réorganisé comme suit :

où, μ est la viscosité dynamique du fluide. Cependant, un glissement aérodynamique considérable se produit lorsque le diamètre de la fibre est comparable au libre parcours moyen (λ) des molécules de gaz, par exemple, environ 67 nm pour l'air à pression et température standard. Kirsch24 a signalé que lorsqu'un glissement important se produit, le nombre de Knudsen (\({\text{Kn}} = \frac{2\lambda }{{d_{f} }}\)) doit être pris en compte dans le terme de force de traînée, c'est-à-dire , \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}} = f\;(\alpha ,\;Kn)\). De plus, l'épaisseur de couche typique des nanofibres électrofilées est considérablement mince, allant de quelques centaines de nanomètres à des dizaines de micromètres. Dans ces couches de nanofibres extrêmement minces, la disposition des nanofibres peut influencer de manière significative la force de traînée30,40, qui pourrait être de plus en plus prononcée dans le cas de couches plus minces, et nous avons supposé que l'effet de la disposition des fibres est lié au rapport de l'épaisseur à diamètre de la fibre, \(\frac{L}{{d_{f} }}\), en ajoutant cette forme d'épaisseur non dimensionnelle comme variable au terme de force de traînée. Enfin, la chute de pression à travers les filtres en nanofibres électrofilées, c'est-à-dire l'Eq. (2), peut être exprimé par :

Dans cette étude, nous avons proposé le modèle de prédiction de la chute de pression des filtres en nanofibres électrofilées en obtenant \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) en fonction de l'emballage densité, Kn et le rapport de l'épaisseur au diamètre de la fibre à l'aide de 56 cas de différentes combinaisons de paramètres de filtration en tenant compte des filtres à nanofibres électrofilées typiques. Comme le montre le tableau 1, nous avons considéré des diamètres de fibre de 50 à 800 nm, correspondant à Kn de 2,669 à 0,167, respectivement. Les densités de garnissage des filtres à fibres de 0,02 à 0,08 ont été examinées sur la base de la plage généralement observée de densités de garnissage des filtres à nanofibres électrofilées. Les vitesses frontales de 5, 10, 15 et 20 cm/s ont été utilisées. En règle générale, les filtres en nanofibres électrofilées sont utilisés dans la plage de faible vitesse en raison de leur faible résistance mécanique, qui est attribuée à leur faible densité de garnissage et à leur petite taille de fibre par rapport aux filtres conventionnels, par exemple les filtres non tissés. L'épaisseur du filtre varie de 0,25 à 80 µm, c'est-à-dire des couches ultra-minces à des couches relativement épaisses.

Dans cette étude, un code MATLAB a été développé pour générer des structures fibreuses 2D dans le domaine de calcul. À l'aide de l'algorithme de génération de fibres, des fibres circulaires d'un diamètre spécifique ont été placées au hasard dans une zone prédéfinie de manière séquentielle jusqu'à ce que la densité de tassement désignée soit atteinte. Lors de la génération de chaque fibre, les distances entre une fibre nouvellement créée et les fibres existantes ont été surveillées en permanence pour éviter un chevauchement de fibres. De plus, pour assurer une haute qualité des maillages, la distance minimale entre les centres des fibres adjacentes a été fixée à 1,1df. Il convient de noter que les fibres monocalibrées ont été appliquées pour les cas numériques tels que présentés dans le tableau 1 pour développer la relation entre \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) , d'autres paramètres de filtration et de chute de pression, mais les distributions de taille de fibre log-normales ajustées, à savoir des fibres de différentes tailles, ont été adaptées lors de la validation des méthodes numériques en simulant les nanofibres électrofilées fabriquées, qui ont été examinées à l'aide d'un microscope électronique à balayage (SEM). Les exemples de domaines de calcul avec les géométries fibreuses monodimensionnées et de différentes tailles sont illustrés sur les figures 1a, b, respectivement. Chaque domaine de calcul compte plus de 300 fibres. Ceci a été réalisé en ajustant la hauteur du domaine pour s'assurer que les résultats de la simulation sont indépendants de l'incertitude statistique41.

Domaines de calcul avec conditions aux limites pour (a) un filtre fibreux monodimensionné et (b) un filtre fibreux de taille différente.

Les géométries générées ont été importées dans le logiciel Gambit pour construire des maillages et définir des conditions aux limites. Environ plus de 1 000 000 d'éléments de maillage triangulaire ont été utilisés avec la densité de maillage élevée autour de chaque fibre pour les changements rapides des variables dépendantes, par exemple la pression et la vitesse. L'étude de l'indépendance du maillage a été réalisée en augmentant le nombre de points de grille autour d'une fibre. Nous avons observé que les pertes de charge obtenues à travers le média filtrant pour le nombre de points de grille allant de 30 à 80 sont restées inchangées. Par conséquent, nous avons sélectionné plus de 40 points de grille pour assurer l'utilisation la plus efficace de la puissance de calcul. Comme le montre la Fig. 1, l'entrée et la sortie sont placées à une distance de 20df en amont et 5df en aval des extrémités avant et arrière des filtres, respectivement, et les conditions aux limites de vitesse d'entrée et de sortie de pression ont été appliquées dans ces cas, respectivement. . La condition aux limites symétrique a été définie sur les côtés supérieur et inférieur du domaine de calcul.

Après avoir généré les domaines de calcul, ils ont été exportés vers le logiciel ANSYS Fluent v18.0 pour résoudre les équations gouvernantes, c'est-à-dire les équations de continuité, de quantité de mouvement et d'énergie. En raison d'un Re considérablement faible basé sur le diamètre de fibre inférieur à l'unité, l'écoulement à travers le filtre fibreux est dominé par la viscosité et n'est pas affecté par la gravité et l'inertie. Par conséquent, la caractéristique d'écoulement peut être bien décrite par l'écoulement de Stokes. Dans l'analyse numérique, les équations de continuité et de quantité de mouvement résolues sont :

et

Il est bien connu que le glissement aérodynamique d'un écoulement de gaz se produit lorsque le gaz s'écoule autour de nanofibres, qui ont des tailles comparables au libre parcours moyen des molécules de gaz. Un glissement aérodynamique important se produit dans le régime d'écoulement de glissement (0,001 < Kn < 0,25) et le régime de transition (0,25 < Kn < 10). Cette observation est applicable aux nanofibres électrofilées typiques. L'effet de glissement a été appliqué en activant la fonction limite de glissement basse pression dans le logiciel Fluent, qui est basé sur le modèle Maxwell de premier ordre. À l'aide de ce modèle, la vitesse de glissement (Uw) a été appliquée comme condition aux limites au média fibreux comme suit :

où, σv est le coefficient d'accommodation de la quantité de mouvement. Il convient de noter que la condition aux limites de glissement sur les écoulements externes, par exemple l'écoulement sur des cylindres ou des fibres, n'a pas encore été étudiée de manière approfondie à l'aide des expressions analytiques. Par conséquent, pour vérifier l'application de cette condition aux limites aux simulations, l'écoulement de Poiseuille dans un conduit bidimensionnel a été examiné. De plus, les profils de vitesse d'écoulement à la sortie ont été comparés à la solution analytique bien établie de la vitesse de glissement pleinement développée, qui peut être exprimée comme suit42 :

où, \(\overline{U}\) est la vitesse moyenne, σv vaut 0,9137 dans ce cas14,43. Le domaine de calcul testé est représenté sur la Fig. 2a. La longueur du conduit est suffisamment longue pour obtenir un écoulement pleinement développé. Nous avons considéré des hauteurs de gaine de 3,35 × 10−5, 3,35 × 10−6, 3,35 × 10−7, 1,34 × 10−7 et 1,12 × 10−8 m, ce qui correspond au Kn (\(= \frac {\lambda }{2H}\)) de 0,001, 0,01, 0,1, 0,25 et 3, respectivement, lorsque le libre parcours moyen des molécules d'air est de 67 nm. La figure 2b montre les profils de vitesse de glissement obtenus numériquement (ligne) et analytiquement (symbole). Les résultats montrent que les vitesses aux parois augmentent lorsque Kn augmente. Les profils de vitesse numériques pour tous les cas Kn correspondent exactement aux résultats analytiques.

(a) Domaine de calcul avec conditions aux limites pour un écoulement de conduit 2D et (b) comparaison des profils de vitesse à différents Kn allant de 0,001 à 3.

Une vérification plus poussée des résultats de simulation a été effectuée à l'aide de nanofibres électrofilées fabriquées en laboratoire pour comparer les chutes de pression obtenues par analyse numérique et expériences. Pour la fabrication de nanofibres électrofilées, un polymère de polyacrylonitrile (PAN) (Sigma-Aldrich, Co. LLC., USA) a été dissous dans une solution de N,N-diméthylformamide (Sigma-Aldrich, Co. LLC., USA) avec des concentrations prédéterminées allant de 7 à 11 % en poids pour obtenir différentes tailles de fibres. Les solutions de polymères ont été agitées doucement pendant 12 h à 50 ° C avec un agitateur magnétique pour obtenir une solution homogène de PAN.

La figure 3a représente la configuration d'électrofilage avec un système de tambour rotatif. La seringue de 12 ml a été remplie d'une solution de PAN et a été installée dans un pousse-seringue. Une alimentation haute tension négative était connectée à l'aiguille (calibre 19–23) et le tambour était mis à la terre en tant que collecteur. Les nanofibres électrofilées ont été collectées sur une feuille de substrat non tissé recouverte autour du tambour. Le débit d'alimentation de la solution (0,3 à 0,5 ml h-1) et la haute tension (10 à 20 kV) ont été soigneusement ajustés pour obtenir une génération stable de nanofibres sans aucun événement de goutte à goutte de solution ou d'intermittence pendant tout le processus d'électrofilage. Les informations sur les filtres en nanofibres électrofilés fabriqués sont présentées dans le tableau S1 dans le matériel supplémentaire. Les plages de taille moyenne des fibres, de densité de tassement et d'épaisseur des filtres varient de 280 à 900 nm, de 2,4 à 7,4 % et de 9 à 120 µm, respectivement. Après le processus d'électrofilage, les échantillons de nanofibres collectés ont été soigneusement prélevés du tambour et séchés dans un four à 50 ° C pendant 2 h pour une évaporation complète du solvant avant que les mesures de chute de pression ne soient effectuées. La figure 3b montre le schéma de la configuration expérimentale utilisée pour la mesure de la chute de pression. Nous avons utilisé un porte-filtre d'un diamètre intérieur de 36 mm et les orifices haute et basse pression du capteur de pression différentielle (modèle 985 M, Beck Sensortechnik GmbH, Allemagne) ont été connectés respectivement avant et après le filtre. De l'air propre a été fourni à l'aide d'une pompe à vide et le débit à travers le filtre a été ajusté par un régulateur de débit massique pour régler la vitesse frontale à 5,3 cm/s.

Schémas de la configuration expérimentale pour (a) la fabrication de nanofibres électrofilées et (b) la mesure de la chute de pression.

Le diamètre et l'épaisseur des fibres des filtres en nanofibres électrofilées recueillies sur une feuille d'aluminium ont été caractérisés à l'aide d'un SEM. La figure 4 montre les exemples d'images SEM pour les mesures de diamètre et d'épaisseur, qui ont été obtenues à l'aide du logiciel de traitement d'image ImageJ. Notez que certains chercheurs ont utilisé une jauge d'épaisseur pour mesurer l'épaisseur du filtre, mais les couches de nanofibres électrofilées sont extrêmement fines et vulnérables à ce processus de mesure, qui pourrait sous-estimer l'épaisseur. Nous avons confirmé que l'analyse SEM peut être utilisée pour obtenir précisément l'épaisseur sans aucune distorsion de mesure.

Images SEM de nanofibres électrofilées PAN à 8 % en poids : (a) vue de face pour la mesure de la taille des fibres (figure intégrée : distribution de la taille des fibres des nanofibres) ; (b) vue de côté pour la mesure de l'épaisseur.

La densité de garnissage (α) des filtres en nanofibres électrofilées, c'est-à-dire la fraction volumique de fibres dans un filtre, peut être calculée comme suit :

où, Vfiber et Vfilter sont les volumes de fibre et de filtre (coupon de filtre circulaire de 47 mm dans cette étude), respectivement. mfiber est la masse de fibres, qui est mesurée à l'aide d'une microbalance. L est l'épaisseur de la couche de fibres, examinée par l'analyse SEM comme indiqué sur la figure 4b. A est la surface frontale d'un coupon de filtre circulaire de 47 mm et est de 1735 mm2.

Les chutes de pression pour huit cas obtenus par des simulations numériques et des expériences sont présentées à la Fig. 5 pour la vérification de la précision des méthodes de simulation. Les chutes de pression mesurées variaient d'environ 18 à 200 Pa. La ligne représente la ligne 1: 1 entre les résultats expérimentaux et numériques. À partir de la comparaison des résultats, nous avons observé que les chutes de pression expérimentales et numériques obtenues pour les cas testés avec différentes tailles et épaisseurs de fibres concordaient bien pour chaque cas, et l'erreur relative moyenne calculée était inférieure à 10 %.

Comparaison des chutes de pression mesurées et simulées pour les filtres en nanofibres électrofilées.

La figure 6 trace la relation entre la vitesse frontale et la chute de pression. Les chutes de pression à quatre vitesses différentes de 5, 10, 15 et 20 cm/s ont été examinées pour les filtres avec des fibres de 200 nm et une épaisseur de 40 µm. Comme le montre l'éq. (3), la chute de pression a une relation linéaire avec la vitesse, ce qui est clairement visible dans les résultats de la simulation. La relation linéaire indique également que \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) n'est pas fonction de la vitesse d'écoulement dans le cas des filtres en nanofibres.

Relation entre la vitesse frontale et la chute de pression sur les filtres en nanofibres. La ligne représente une courbe d'ajustement avec une valeur de racine carrée supérieure à 0,99.

L'effet de l'épaisseur des filtres en nanofibres est examiné de manière intensive en fonction de la taille des fibres. La figure 7 montre la relation entre l'épaisseur et la chute de pression sur les tailles de fibre de 50, 100, 200, 400 et 800 nm à la densité de tassement de 0,06. Le tableau 2 fournit les valeurs de perte de charge obtenues numériquement. Sur la Fig. 7, les chutes de pression numériques sont indiquées par des lignes pleines, et les lignes pointillées représentent les valeurs linéaires théoriques de (L/Lmax)·ΔPmax, en supposant que les chutes de pression diminuent linéairement, à partir des valeurs de chute de pression maximales, avec le rapport d'épaisseur. De plus, les légers écarts par rapport aux lignes linéaires parfaites, marqués en pointillés, peuvent être observés sur la figure 7. Ces écarts deviennent significatifs pour les couches plus minces. Selon la théorie conventionnelle, la chute de pression à travers un filtre est proportionnelle à l'épaisseur du filtre. Par exemple, une chute de pression de 1151 Pa est observée pour les conditions de df = 100 nm, α = 0,06, U0 = 5 cm/s et L = 20 µm. Par conséquent, la chute de pression théoriquement estimée du filtre de 0,5 µm d'épaisseur dans les mêmes conditions devrait être de 28,8 Pa (= 0,5/20 × 1151 Pa), ce qui donne une différence relative d'environ 32 % par rapport à la valeur de chute de pression numérique de 19,5 Pa. Nous attendez-vous à ce que ces déviations résultent de l'arrangement des fibres, en particulier dans les couches minces de nanofibres. Lorsque la couche de nanofibres est mince, seuls quelques éléments fibreux sont composés de la couche, par exemple, les cas de df = 50 et 100 nm et L = 0,25 et 0,5 µm, respectivement. Notamment, pour les nanofibres électrofilées sont généralement fabriquées sous la forme d'une couche très mince, cette non-linéarité entre l'épaisseur et la chute de pression doit être prise en compte lors de la prédiction de la chute de pression pour les nanofibres électrofilées.

Relation entre l'épaisseur du filtre et la chute de pression sur les filtres en nanofibres avec des tailles de fibres de 50, 100, 200, 400 et 800 nm.

la figure 8a montre les pertes de charge obtenues pour chaque taille de fibre, soit 50, 100, 200, 400 et 800 nm, selon les densités de garnissage allant de 0,02 à 0,08 ; toutes les autres conditions étaient les mêmes pour tous les points de données de chaque courbe. De plus, sur la base de la taille des fibres, l'effet de Kn, allant de 0, 17 à 2, 67, a été examiné et les résultats sont représentés sur la figure 8b. Nous avons constaté que la densité de tassement et Kn ont une relation non linéaire avec la chute de pression.

Valeurs de chute de pression obtenues pour les filtres en nanofibres selon (a) la densité de garnissage et (b) Kn.

Lorsque la densité de garnissage est doublée, par exemple de 0,02 à 0,04 et de 0,04 à 0,08, on estime que les chutes de pression sont plus que doublées et atteignent une valeur environ 2,2 à 2,9 fois plus élevée pour la densité de garnissage plus élevée. L'augmentation de la densité de garnissage entraîne une augmentation non seulement de la surface des fibres, mais également de la vitesse d'écoulement à l'intérieur du filtre, ce qui crée une chute de pression supplémentaire à travers le média filtrant.

Basé sur l'éq. (2), le produit du coefficient de traînée et de Re, c'est-à-dire \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\), peut être représenté comme suit :

Les chutes de pression obtenues numériquement et d'autres paramètres pour tous les cas ont été insérés dans l'équation. (9) pour obtenir \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\). De plus, dans l'éq. (3), nous avons supposé que les valeurs obtenues pour \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) sont fonction de la densité de tassement, Kn, et du rapport de de l'épaisseur au diamètre de la fibre et qu'elles peuvent être exprimées en termes de fonctions puissance de ces propriétés comme suit :

Nous avons utilisé une méthode de régression ordinaire des moindres carrés pour obtenir C1, C2, C3 et C4 et avons trouvé les meilleures courbes d'ajustement avec deux plages d'épaisseur pour les conditions de simulation examinées dans cette étude comme suit :

De plus, l'équation de corrélation pour prédire les chutes de pression sur les filtres en nanofibres peut être obtenue en insérant Eq. (11) dans l'éq. (9):

Les comparaisons des résultats numériques et des valeurs prédites de \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) (Eqs. (9) et (11)) et de la chute de pression sont représentés sur les Fig. 9a,b, respectivement. Les résultats concordent fortement et ont des erreurs relatives inférieures à 15 % dans tous les cas, et les erreurs relatives moyennes de 56 cas pour les deux \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re} }\) et la perte de charge sont inférieures à 1 %.

Comparaison entre les valeurs numériques et prédites de (a) \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) et (b) chute de pression pour tous les cas de simulation.

Enfin, nous avons comparé les pertes de charge estimées par notre modèle développé avec celles des travaux antérieurs. La figure 10 montre une comparaison des chutes de pression à travers des filtres en nanofibres ultra-minces avec une épaisseur et un diamètre de fibre de 150 nm (c'est-à-dire des nanofibres monocouches) en fonction de la vitesse frontale. Les données expérimentales pour les filtres avec différentes densités de garnissage de 0,034, 0,059, 0,104 et 0,134 ont été obtenues auprès de Wang et al.18. Les modèles théoriques de Kuwabara34 et Brown36 et les corrélations empiriques de Davies35 et Bian et al.37 sont décrits dans le matériel supplémentaire. Les résultats de la figure 10 indiquent qu'en général, les chutes de pression estimées par les modèles de Kuwabara, Brown et Davies ont tendance à être surestimées par rapport aux chutes de pression expérimentales à travers les filtres en nanofibres ultra-minces. De plus, le modèle empirique de Bian et al. montre un bon accord uniquement pour le cas d'une densité de tassement de 0,059, tandis que pour d'autres cas, des incohérences peuvent survenir en raison de problèmes potentiels pouvant découler de l'utilisation d'une approche empirique. Cependant, notre modèle développé (Eq. 12) prédit des chutes de pression qui montrent un bon accord avec les données expérimentales pour toutes les densités de garnissage, comme le montre la Fig. 10. Sur la base de ces résultats, on peut conclure que les effets de glissement et l'épaisseur doivent être soigneusement considérés ensemble dans la prédiction de la chute de pression pour les filtres en nanofibres extrêmement minces.

Comparaison entre les chutes de pression obtenues par des approches théoriques, des corrélations empiriques, le modèle actuel et des expériences pour des filtres en nanofibres monocouches ultra-minces avec différentes densités de garnissage de (a) 0,034, (b) 0,059, (c) 0,104 et (d) 0,134 en fonction de la vitesse frontale.

Dans cette étude, nous avons obtenu l'équation de corrélation pour la prédiction de la chute de pression à travers les filtres en nanofibres électrofilées. Cette équation a été développée à partir des simulations numériques de dynamique des fluides de 56 cas de ces filtres en nanofibres. Dans les simulations, les effets de la densité de compactage, de l'épaisseur, de la vitesse frontale et de la taille des fibres sur la chute de pression ont été examinés, ainsi que la relation entre ces paramètres et le terme de traînée (c'est-à-dire \(\frac{{C_{D} }} {2} \cdot {\text{Re}}\)) a été étudiée. Nous avons supposé que, pour les filtres en nanofibres électrofilées, en raison de leurs fibres nanométriques et de leurs couches extrêmement minces, le produit du coefficient de traînée et de Re est fonction de la densité de garnissage, Kn, et du rapport épaisseur sur diamètre des fibres ; ceci est différent de la théorie de la traînée sur les filtres conventionnels. Enfin, l'équation de corrélation pour prédire les chutes de pression à travers les filtres en nanofibres avec des fibres distribuées de manière aléatoire a été dérivée. Nous avons également fourni des chutes de pression estimées par l'équation de corrélation pour la large gamme de vitesses frontales de 5 à 20 cm/s sur la figure S1 dans le matériel supplémentaire pour les lecteurs qui ont besoin de se référer aux valeurs. Afin de garantir des valeurs réalistes pour les applications de filtration, seules les pertes de charge jusqu'à 1000 Pa sont présentées. Sur la base des données de la Fig. S1, les lecteurs peuvent se référer aux chutes de pression en fonction de différentes tailles de fibres (50, 100, 200, 400 et 800 nm), épaisseurs (1, 2, 5, 10 et 20 µm), et les densités de tassement (0,02, 0,04, 0,06 et 0,08) à la plage de vitesse.

Le modèle de prédiction développé dans cette étude présente certaines limites. Premièrement, l'équation de corrélation développée pourrait être inapplicable aux filtres fibreux conventionnels, qui ont une distribution de taille de fibres relativement plus large parce que le modèle a été développé en tenant compte des fibres à taille unique. Par conséquent, les filtres en nanofibres électrofilées ont été considérés comme de bons candidats car ils consistent généralement en une distribution granulométrique étroite de supports fibreux. Par conséquent, dans les simulations, la plage de vitesse a été limitée à la plage de 5 à 20 cm/s pour cibler l'utilisation de filtres en nanofibres électrofilées, qui sont applicables dans le criblage des fenêtres pour la ventilation naturelle et les masques faciaux. Deuxièmement, les simulations ont été effectuées pour des filtres propres et fournissent les chutes de pression initiales du filtre sans chargement de poussière. Étant donné que l'effet de chargement est beaucoup plus complexe et est considérablement modifié par diverses conditions de filtration qui peuvent affecter la formation de dendrites de particules, nous nous attendons à ce que l'approche expérimentale intensive soit plus efficace que les modèles numériques. Malgré toutes ces limitations, les méthodes de simulation développées et l'équation dérivée pour prédire les chutes de pression sur le système de filtration d'air sont applicables dans diverses applications. Le modèle développé dans cette étude ne se limite pas aux nanofibres produites uniquement par le procédé d'électrofilage. Il existe différentes méthodes pour créer des nanofibres, telles que les méthodes de soufflage de solution et de centrifugation44,45,46,47,48. Si les conditions expérimentales utilisées dans cette étude sont remplies ou si les nanofibres ont une distribution de taille de fibre étroite, le modèle développé dans cette étude peut également être appliqué pour prédire la chute de pression des nanofibres produites par ces méthodes.

Certaines ou toutes les données et les modèles qui appuient les conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Koolen, CD & Rothenberg, G. Pollution de l'air en Europe. Chemsuschem 12, 164-172 (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Nel, A. Maladie liée à la pollution de l'air : Effets des particules. Sciences 308, 804–806 (2005).

Article CAS PubMed Google Scholar

Kurt, OK, Zhang, J. & Pinkerton, KE Effets de la pollution de l'air sur la santé pulmonaire. Courant. Avis. Pulpe. Méd. 22, 138-143 (2016).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dockery, DW et al. Une association entre la pollution de l'air et la mortalité dans six villes américaines. N. Engl. J. Med. 329, 1753–1759 (1993).

Article CAS PubMed Google Scholar

Shindell, D., Faluvegi, G., Seltzer, K. et Shindell, C. Avantages quantifiés et localisés pour la santé des réductions accélérées des émissions de dioxyde de carbone. Nat. Clim. Modification 8, 291–295 (2018).

Article CAS ADS Google Scholar

Organisation Mondiale de la Santé. Pollution de l'air ambiant : une évaluation mondiale de l'exposition et de la charge de morbidité. Clean Air J. 26, 6 (2016).

Article Google Scholar

Yoo, DK, Woo, HC & Jhung, SH Sels ioniques @ cadres métalliques-organiques : composant remarquable pour améliorer les performances des filtres en tissu pour éliminer les particules de l'air. ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 23092–23102 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Pope, CA & Dockery, DW Effets sur la santé de la pollution atmosphérique par les particules fines : lignes qui se connectent. J. Air Waste Manag. Assoc. 56, 709–742 (2006).

Article CAS PubMed Google Scholar

Liu, C. et al. Filtre à air transparent pour une capture PM 2,5 à haute efficacité. Nat. Commun. 6, 6205 (2015).

Article CAS PubMed ADS Google Scholar

Atkinson, RW, Mills, IC, Walton, HA & Anderson, HR Composants des particules fines et santé—Une revue systématique et une méta-analyse d'études épidémiologiques de séries chronologiques sur la mortalité quotidienne et les admissions à l'hôpital. J. Expo. Sci. Environ. Épidémiol. 25, 208-214 (2015).

Article CAS PubMed Google Scholar

Russell, AG & Brunekreef, B. Un accent sur les particules et la santé. Environ. Sci. Technol. 43, 4620–4625 (2009).

Article CAS PubMed ADS Google Scholar

Zaatari, M., Novoselac, A. & Siegel, J. La relation entre la chute de pression du filtre, la qualité de l'air intérieur et la consommation d'énergie dans les unités CVC sur le toit. Construire. Environ. 73, 151-161 (2014).

Article Google Scholar

Han, S., Kim, J. & Ko, SH Progrès dans les technologies de filtration de l'air : approches basées sur la structure et basées sur l'interaction. Mater. Aujourd'hui Adv. 9, 100134 (2021).

Article CAS Google Scholar

Wang, CS & Otani, Y. Élimination des nanoparticules des flux de gaz par des filtres fibreux : un examen. Ing. ind. Chim. Rés. 52, 5–17 (2013).

Article CAS Google Scholar

Huang, SH et al. Facteurs affectant la pénétration du filtre et le facteur de qualité des respirateurs à particules. Aérosol Air Qual. Rés. 13, 162-171 (2013).

Article Google Scholar

Bazargan, AM, Keyanpour-rad, M., Hesari, FA & Ganji, ME Une étude sur le comportement de microfiltration d'une membrane nanofibreuse électrofilée autoportante dans l'eau à l'aide d'un compteur de particules optique. Dessalement 265, 148–152 (2011).

Article CAS Google Scholar

Xue, J., Wu, T., Dai, Y. & Xia, Y. Nanofibres électrofilées et électrofilées : méthodes, matériaux et applications. Chim. Rév.119, 5298–5415 (2019).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, J., Kim, SC & Pui, DYH Etude du facteur de mérite pour les filtres avec une seule couche de nanofibres sur un substrat. J. Aérosol Sci. 39, 323–334 (2008).

Article CAS ADS Google Scholar

Wang, Z., Zhao, C. & Pan, Z. Membranes fibreuses poreuses en poly(acide lactique) pour la filtration de l'air. J. Colloid Interface Sci. 441, 121–129 (2015).

Article CAS PubMed ADS Google Scholar

Niu, Z., Xiao, C., Mo, J., Zhang, L. et Chen, C. Étude de l'influence de la charge de la structure métallo-organique sur les performances de filtration des filtres à air en nanofibres électrofilées. ACS Appl. Mater. Interfaces 14, 27096–27106 (2022).

Article CAS Google Scholar

Russo, F., Castro-Muñoz, R., Santoro, S., Galiano, F. & Figoli, A. Un examen des membranes électrofilées pour une application potentielle de filtration de l'air. J. Environ. Chim. Ing. 10, 108452 (2022).

Article CAS Google Scholar

Zhang, X. et al. Progrès récents dans les applications de purification des polluants atmosphériques et perspectives des nanofibres électrofilées. J. Propre. Prod. 378, 134567 (2022).

Article CAS Google Scholar

Gradon, L. Influence des interactions électrostatiques et de l'effet de glissement sur l'efficacité de filtration des aérosols dans les filtres à fibres. J. Aérosol Sci. 26, 306-311 (1987).

CAS Google Scholar

Kirsch, AA, Stechkina, IB & Fuchs, NA Effet du glissement de gaz sur la chute de pression dans les filtres fibreux. J. Aérosol Sci. 4, 287–293 (1973).

Annonces d'article Google Scholar

Choi, HJ et al. Effet du débit de glissement sur la chute de pression des filtres en nanofibres. J. Aérosol Sci. 114, 244–249 (2017).

Article CAS ADS Google Scholar

Stern, SC, Zeuer, HW & Schekman, AI L'efficacité des aérosols et la chute de pression d'un filtre fibreux à des pressions réduites. J. Colloid Sei. 15, 546-562 (1960).

Article CAS Google Scholar

Podgórski, A., Bałazy, A. & Gradoń, L. Application de nanofibres pour améliorer l'efficacité de filtration des particules d'aérosol les plus pénétrantes dans les filtres fibreux. Chim. Ing. Sci. 61, 6804–6815 (2006).

Article Google Scholar

Leung, WWF, Hung, CH & Yuen, PT Effet de la vitesse frontale, de la densité et de l'épaisseur des nanofibres sur les performances de filtration des filtres avec des nanofibres enduites sur un substrat. Sept. Purif. Technol. 71, 30–37 (2010).

Article CAS Google Scholar

Zhang, R. et al. Filtres à air en nanofibres avec stabilité à haute température pour une élimination efficace des PM2,5 des sources de pollution. Nano Lett. 16, 3642–3649 (2016).

Article CAS PubMed ADS Google Scholar

Xia, T., Bian, Y., Zhang, L. et Chen, C. Relation entre la chute de pression et la vitesse frontale pour les filtres à nanofibres électrofilées. Construire de l'énergie. 158, 987–999 (2018).

Article Google Scholar

Duggirala, RK et al. Prédictions de chute de pression dans les matériaux en microfibres à l'aide de la dynamique des fluides computationnelle. J. Fluides Eng. Trans. ASME 130, 0713021–07130213 (2008).

Article Google Scholar

Hosseini, SA & Tafreshi, HV Modélisation de la perméabilité des supports de nanofibres 3D en régime d'écoulement glissant. Chim. Ing. Sci. 65, 2249-2254 (2010).

Article CAS Google Scholar

Quan, Z. et al. Membrane nanofibreuse bimodale à effet glissant pour une purification de l'air à haute efficacité et à faible résistance. Sept. Purif. Technol. 275, 119258 (2021).

Article CAS Google Scholar

Kuwabara, S. Les forces subies par des cylindres ou des sphères circulaires parallèles distribués de manière aléatoire dans un écoulement visqueux à de petits nombres de Reynolds. J.Phys. Soc. Jpn. 14, 527–532 (1959).

Article MathSciNet ADS Google Scholar

Davies, CN La séparation des poussières et des particules en suspension dans l'air. Proc. Inst. Mech. Ing. 167, 185-213 (1953).

Article Google Scholar

Brown, RC Air Filtration : Une approche intégrée de la théorie et des applications des filtres à fibres (Pergamon Press, 1993).

Google Scholar

Bian, Y., Zhang, L. et Chen, C. Étude expérimentale et de modélisation de la chute de pression à travers les filtres à air en nanofibres électrofilées. Construire. Environ. 142, 244-251 (2018).

Article Google Scholar

Wong, JB, Ranz, WE & Johnstone, HF Efficacité de collecte des particules d'aérosol et résistance à l'écoulement à travers les tapis de fibres. J. Appl. Phys. 27, 161-169 (1956).

Article CAS ADS Google Scholar

Blanc, CM La traînée des cylindres dans les fluides à faible vitesse. Proc. R. Soc. Londres. Ser. R. Mathématiques. Phys. Sci. 186, 472–479 (1946).

Annonces CAS Google Scholar

Li, Y., Yin, X., Yu, J. & Ding, B. Nanofibres électrofilées pour une filtration de l'air haute performance. Compos. Commun. 15, 6–19 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Hosseini, SA & Tafreshi, HV Modélisation de la filtration des particules dans les domaines 2D désordonnés : une comparaison avec les modèles cellulaires. Sept. Purif. Technol. 74, 160-169 (2010).

Article CAS Google Scholar

Barber, RW & Emerson, DR L'influence du nombre de Knudsen sur la longueur de développement hydrodynamique dans les micro-canaux à plaques parallèles. Adv. Fluid Mech. IV, 207-216 (2002).

Google Scholar

Guide théorique ANSYS Fluent. 15317, 724–746 (2013).

Li, Z. et al. Production à haut débit de nanofibres à l'échelle du kilogramme par soufflage en solution vortex de Kármán. Sci. Adv. 8, 1–10 (2022).

Google Scholar

Ayati, SS, Karevan, M., Stefanek, E., Bhia, M. & Akbari, M. Fabrication de nanofibres par filage centrifuge soufflé. Macromol. Mater. Ing. 307, 1–11 (2022).

Article Google Scholar

Zhang, ZM, Duan, YS, Xu, Q. & Zhang, B. Un examen de la fabrication des nanofibres avec l'effet du champ de force centrifuge à grande vitesse. J.Eng. Fibre. Fabr. 14, 1558925019867517 (2019).

Google Scholar

Dadol, GC et al. Filature soufflée en solution (SBS) et nanofibres filées par SBS : matériaux, méthodes et applications. Mater. Aujourd'hui Commun. 25, 101656 (2020).

Article CAS Google Scholar

Shen, C. et al. Caractérisation de nanofibres de gélatine glycosylée/pullulan fabriquées par soufflage en solution de mélange multi-fluide. Int. J. Biol. Macromol. 214, 512–521 (2022).

Article CAS PubMed Google Scholar

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Département de génie environnemental, Université Inha, 100 Inha-ro, Michuhol-gu, Incheon, 22212, République de Corée

Songhui Lee, Dai Bui-Vinh, Minwoo Baek et Handol Lee

Laboratoire de technologie des particules, Génie mécanique, Université du Minnesota, 111 Church St., SE, Minneapolis, 55455, États-Unis

Dong Bin Kwak

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SL : rédaction, validation, analyse formelle. DBV : expérimentation, analyse de données. MB : organisation des données. DBK : rédaction, édition, analyse formelle, méthodologie. HL : conceptualisation, supervision, administration de projet.

Correspondance à Dong-Bin Kwak ou Handol Lee.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Lee, S., Bui-Vinh, D., Baek, M. et al. Modélisation des valeurs de chute de pression à travers des filtres en nanofibres ultra-minces avec différentes gammes de paramètres de filtration sous un effet de glissement aérodynamique. Sci Rep 13, 5449 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32765-4

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Reçu : 17 février 2023

Accepté : 01 avril 2023

Publié: 03 avril 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-32765-4

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