[01647888]一种纤维过滤介质结构的拟态化重建及其性能计算方法

1、课题背景 粉尘会对大气环境、生产和人体健康造成有害的影响,尤其是可吸入颗粒物会对人体的呼吸系统产生危害。因此,减少空气中悬浮颗粒物对保护环境和保障人类健康具有重要的意义。 面对日益严重的大气污染问题,袋式除尘器对颗粒污染物的捕集效率高,因此得到了广泛的应用。纤维过滤介质作为袋式除尘器的核心部件之一,其对微细颗粒物的过滤能否达到国家标准的要求,与其过滤效率和压力损失密切相关,尤其纤维过滤介质的压力损失是表征过滤性能的重要参数,它的大小关系到整个过滤系统的能量消耗。而过滤介质的上述性能指标主要由纤维过滤介质内部微观结构决定。因此,准确地获得过滤介质的内部微观结构显得至关重要。 早期的研究中,纤维过滤介质被简化为单纤维或孤立纤维,国外科学家在单纤维的基础上,考虑周围纤维的干扰来建立纤维模型,将纤维过滤介质简化为理想过滤介质,利用计算机技术生成二维机织（纤维平行和交叉排列）过滤介质。然而,上述方法建立的纤维过滤介质是二维结构的,与实际的三维过滤介质结构区别较大,建立的二维过滤介质的拟态化模型不能真实的反映过滤介质的性能,只能用于研究模拟。 也有研究者利用计算机技术在空间中随机产生三维的纤维过滤介质,并考虑纤维的直径、长度、方向、弯曲等因素。然而仅考虑纤维部分因素构建的模型并没有以实际的纤维过滤介质为基础,没有考虑纤维之间的挤压变形等因素。因此,构建得到的模型与实际的过滤介质结构相差仍较大,仍然只能用于研究模拟,而无法得到真实纤维过滤介质的结构参数。 2、技术原理 拟态化重建过程为：一、获取纤维过滤介质图像;二、设置最佳阈值,进行二值化处理;三、对二值图像进行中心线检测;四、对中心线上像素点进行四对角方向对比,获得旋转半径di和旋转方向df;五、进行三维旋转,获得纤维过滤介质拟态化重建图像。 性能计算方法具体是指通过输入一系列相关参数,利用经验公式获得纤维过滤介质不同风速的过滤效率曲线和压力损失曲线。以真实纤维过滤介质内部微观单层结构图像为基础,利用简单、快速的图像处理方法对所得图像进行拟态化重建,拟态化重建模型能够逼真模拟真实纤维过滤介质的结构。 3、技术的创造性与先进性 （1）实际纤维过滤介质的扫描电镜图进行二值化处理,通过最佳阈值的确定,纤维像素点和孔隙像素点被有效分开,为后续纤维过滤介质中心线以及三维旋转半径di、三维旋转方向df的准确确定打下了坚实的基础,拟态化重建模型能够逼真模拟真实纤维过滤介质的结构,克服了传统方法存在的应用局限性; （2）基于真实纤维过滤介质图像,输入一系列相关参数,通过数值模拟的方法对纤维过滤介质进行研究,得到真实纤维过滤介质的性能参数,不需要进行真实的实验,可以节约大量时间和人力物力,具有很高的实用价值。 4、技术成熟度 一种纤维过滤介质结构的拟态化重建及其性能计算方法,属于纤维结构拟态重建技术领域。用以克服现有纤维过滤介质拟态重建方法存在的：1)没有以实际纤维过滤介质为拟态重建基础,构建得到的纤维模型与实际的过滤介质结构相差较大,只能用于研究模拟,应用上存在局限性;2)拟态重建过程复杂、数据处理量大、模型构建时间长的不足。 对实际纤维过滤介质的扫描电镜图进行二值化处理,通过最佳阈值的确定,纤维像素点和孔隙像素点被有效分开,为后续纤维过滤介质中心线以及三维旋转半径di、三维旋转方向df的准确确定打下了坚实的基础,拟态化重建模型能够逼真模拟真实纤维过滤介质的结构,克服了传统方法存在的应用局限性。同时,基于真实纤维过滤介质图像,输入一系列相关参数,通过数值模拟的方法对纤维过滤介质进行研究,得到真实纤维过滤介质的性能参数,不需要进行真实的实验,可以节约大量时间和人力物力,具有很高的实用价值。 5、应用情况 本发明以真实纤维过滤介质内部微观单层结构图像为基础,利用简单、快速的图像处理方法对所得图像进行拟态化重建,并提取图像信息,获得拟态化重建模型的结构参数,拟态化重建模型能够逼真模拟真实纤维过滤介质的结构,所得结构参数能够代表真实纤维过滤介质的结构参数。