纤维过滤器内部微观结构可视化的研究进展

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纤维过滤器内部微观结构可视化的研究进展
	发起人：dajiangjunwang　　回复数：1　　浏览数：4390　　最后更新：2011/9/16 18:29:44 by david760716

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dajiangjunwang 发表于 2009/9/9 19:34:49

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纤维过滤器内部微观结构可视化的研究进展

纤维过滤器内部微观结构可视化的研究进展
钱付平,王海刚
(安徽工业大学建筑工程学院,安徽马鞍山243002)
摘要:对纤维过滤器内部微观结构可视化方法的研究进展进行了综述,结果表明国内外在过滤器内部微观结构可视化方面主要采用:扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)、X-射线照相术(X-ray computerized tomography)及核磁共振成像法(magnetic resonance imaging,MRI)。通过比较后认为应用非侵入式成像技术-MRI方法来预测纤维过滤器的内部微观结构可以获得较为真实的过滤器内部结构。在此基础上分析了基于MRI方法并利用计算流体力学(CFD)技术研究过滤器内气固两相流动的可行性。
关键词:纤维过滤器;可视化研究;核磁共振成像法;研究进展
中图分类号:TQ028.8文献标识码:A文章编号:1005-8265(2008)03-0004-04
1引言
近几年发展起来的高分子纤维过滤技术能有效改善常规过滤器的性能,防止微细颗粒物随着空调系统的新风进入室内,如果综合利用纳米光催化技术(如表面喷涂一些纳米TiO2)还可以有效抑止甲苯、甲醛、氨气、挥发性有机物以及微生物等室内主要污染物对人们健康的威胁。在纤维过滤领域,目前的研究工作主要集中在如何来准确地预测过滤器的压降和收集效率。
通过实验来测试纤维过滤器的过滤性能固然能得到准确的结果,但是这种常规的实验手段无法得到过滤器内部的微细结构特征,也就无法进一步改善过滤器的过滤性能。随着计算机硬件技术的发展,数值计算技术越来越显示出其在这一领域的应用优势,利用计算流体力学(CFD)技术不仅省时省力,而且还可以对微细颗粒在过滤器纤维表面的气固两相运动情况进行全面、直观的模拟。针对纤维过滤器内气固两相流动的数值模拟,国内外已有众多学者进行过研究。然而,需要说明的是,大部分研究者计算模型仅仅考虑单个纤维的情况,过滤效率通过单纤维流场来决定。在单纤维过滤器研究的基础上,有文献[1-3]对一些排列较为规则的纤维过滤器的气-固流动进行了数值研究。上述研究都是将实际的纤维过滤器的纤维简化为一种规则排列的结构。而实际上绝大多数纤维过滤器内的纤维都是一种随机排列结构,因此,这种简化会影响数值模拟研究结果和实际情况的吻合程度,在一定程度上将会制约暖通空调领域纤维过滤器过滤性能的进一步改善。
为了克服上述数值计算模型的不足,同时也为了得到有关过滤器介质局部结构的真实信息,一种有用的技术是对材料的序列断面进行成像研究。本文回顾了纤维过滤器内部微观结构可视化方法的国内外研究进展,并提出了今后的发展方向,在此基础上分析了基于成像方法并利用CFD技术研究过滤器内气固两相流动的可行性。
2纤维过滤器的内部微细结构可视化的研究进展
2.1扫描电镜成像
为了得到有关过滤器介质局部结构的真实信息,扫描电镜成像(Scanning Electron Microscopy,SEM)以能对材料的序列断面进行成像研究而得到广泛应用。
扫描电镜浓缩了电子光学技术、真空技术、精细机械结构以及现代计算机控制技术[4]。扫描电镜是在加速高压作用下将电子枪发射的电子经过多级电磁透镜汇集成细小的电子束(图1)。在试样表面进行扫描,激发出各种信息,通过对这些信息的接收、放大和显示成像,以便对试样表面进行分析。入射电子与试样相互作用产生不同的信息种类。这些信息的二维强度分布随试样表面的特征而变(这些特征有表面形貌、成分、晶体取向、电磁特性等),是将各种探测器收集到的信息按顺序、成比率地转换成视频信号,再传送到同步扫描的显像管并调制其亮度,可以得到一个反应试样表面状况的扫描图。如果将探测器接收到的信号进行数字化处理即转变成数字信号,就可以由计算机做进一步的处理和存储。

文献[5-7]对随机结构的纤维过滤器的气-固两相流场进行了数值模拟,其中对颗粒相的处理采用了商业软件Fluent中离散颗粒模型,随机结构由扫描电镜(SEM)技术来确定。但是利用SEM技术对过滤器内部结构进行处理会存在两方面缺陷:首先SEM方法本身的局限性使得该项技术用在高效过滤器领域并不合适,即:为了对内部结构进行扫描,过滤器介质必须被分割成许多块,这样必然会破坏过滤器内部结构,从而影响模型结构的真实性;其次,SEM技术的分辨率也不能达到过滤器介质的测试要求,而且所处理样本的尺寸也会受到限制。
2.2 X射线摄像技术
为了弥补SEM方法的不足,起源于医学领域的新的成像技术在多孔材料领域得到应用,如:X射线计算机化断层摄影扫描仪(Xray Computerized TomographicScanner,医学上称其为CT)。所谓CT就是在很多角度上对物体进行投影,穿过物体的射线由探测器接收,输入计算机,然后在计算机里用数学方法将其处理成一个断面图像。CT技术发展日新月异,由一个探测器发展到几百个乃至上千个探测器;由不到180°扫描发展为360°扫描乃至螺旋扫描,扫描一个层面的时间由几十分钟缩短为几十毫秒。X射线计算化微观断面摄像已得到发展而且一般广泛地应用在研究多孔材料领域。Badel等人[8]利用X射线显微照相术获得了大量有关玻璃丝在机械压力下发生形变的信息;Maschio等人[9]利用X射线显微照相术在17μm的像素分辨率下,观察到一种嵌入式过滤器的结构;另一项研究[10]利用X射线显微照相术在370×370×300μm的像素分辨率下在一深层过滤器内鉴别捕获到的颗粒。然而,仅仅少数研究工作是针对于纤维材料,而且若采用全景系统,会存在检查速度、分辨率和准确度之间折衷的问题。对于纤维过滤器(无纺布纤维结构),由于测试样本较大,必然会影响测试的空间分布率。
3 核磁共振成像
除了X射线摄像技术,为了获得过滤器结构和过滤过程颗粒沉积的非侵入三维信息,核磁共振技术(Magnetic Resonance Imaging,MRI)作为一种新方法最近得到应用。
核磁共振是一种物理现象,作为一种分析手段广泛应用于物理、化学生物等领域,到1973年才将它用于医学临床检测。MRI在化学领域的应用没有医学领域那么广泛,主要是因为技术上的难题及成像材料上的困难,目前主要应用于以下几个方面:在高分子化学领域,如碳纤维增强环氧树脂的研究、固态反应的空间有向性研究、聚合物中溶剂扩散的研究、聚合物硫化及弹性体的均匀性研究等;在金属陶瓷中,通过对多孔结构的研究来检测陶瓷制品中存在的砂眼;在火箭燃料中,用于探测固体燃料中的缺陷以及填充物、增塑剂和推进剂的分布情况;在石油化学方面,主要侧重于研究流体在岩石中的分布状态和流通性以及对油藏描述与强化采油机理的研究。
核磁共振分析技术是通过核磁共振谱线特征参数(如谱线宽度、谱线轮廓形状、谱线面积、谱线位置等)的测定来分析物质的分子结构与性质。它可以不破坏被测样品的内部结构,是一种完全无损的检测方法。同时,它具有非常高的分辨本领和精确度,而且可以用于测量的核也比较多,所有这些都优于其它测量方法。因此,核磁共振技术在物理、化学、医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用。
对于平行的随纹结构,国外有研究者应用MRI技术获得多孔介质的3维图像[11-13]。并且首次用在测量含有沉积颗粒的纤维的内部结构,使其成为对过滤试验的动力学研究的一种强有力的工具。
图1扫描电镜工作原理
核磁共振成像是作为非侵入性方法发展起来的,该方法可以对具有一定形状的非透明物质的三维空间分布进行成像。因为大部分普通的固体聚合物和天然纤维的核磁共振信号太弱而不能直接测到,Hoferer等人[11,12]在多孔过滤介质填满水,原则上,核磁共振信号强度和水的含量成一定的比例,而没有水的地方则为纤维,这是量化纤维过滤器内介质的关键步骤。当然,也不能忽略核磁共振信号噪声的影响,因为在一定像素分辨率下,过滤介质内只含有水的地方的核磁共振成像不能产生明显的波峰,这说明此时的填充密度为零。为了消除噪声,一般认为只含有水的地方,即信号比较弱的地方的填充密度为零。基于以上这些,Hoferer等人为了分析过滤介质的内部结构,采用快速自旋回波技术(RARE),其像素分辨率为8μm。他们首先绘制在所有像素下的频率分布图,并对其进行分析,利用填充度与信号强度之间的关系对数据进行处理。考虑到核磁共振系统的稳定性差,此数据处理过程是在Matlab商用软件中进行的。
Hoferer等人同时利用MRI技术研究了颗粒的沉积行为,研究对象为胶囊颗粒。因为惯性沉降是实现颗粒沉积的最主要的捕获机制,因此,颗粒的速度大小是颗粒能否被捕获的关键。研究者在气体流动方向上把过滤介质分成一系列的截面,通过核磁共振成像把信号强度最弱的截面作为参照,减去此值,就能得到其它截面上的信号强度值,以此削弱噪声带来的影响。最后根据信号强度与颗粒物沉积质量之间的关系,来确定过滤介质内所沉积胶囊颗粒的质量。
Hoferer等人的研究结果表明:利用核磁共振成像技术可以获得多孔介质的三维图像及模拟颗粒物在其内的沉积行为。然而,如需对实际结构的过滤器的过滤性能进行准确的预测,还需对三维图像做进一步的处理。另外,纤维过滤器内微细颗粒的运动是一个复杂的过程,而且微细颗粒的运动及沉积将会严重影响过滤器的过滤性能。因此,为了提高数值预测的精度,进一步改善过滤器的过滤性能,还需得到有关微细颗粒沉积的真实特性。
基于上述分析,笔者在国家自然科学基金项目的资助下,综合应用非侵入式成像技术和计算流体力学(CFD)方法来预测高效过滤器的过滤性能。研究对象为一个商业过滤器介质,在这个过滤器介质中,结构由50μm的像素分辨率决定;利用三维重建技术,构建该过滤器介质实际的三维模型;划分三维模型的网格;导入CFD计算器,进行流场及气固两相数值计算。除此以外,笔者还将对具有一定沉积颗粒的过滤器介质进行成像处理,在允许一个具有200μm像素分辨率的空间量化观察信号强度和沉积颗粒质量之间的关联性,进一步探索纤维过滤器内微细颗粒的沉积机理。
在确定内部结构的核磁共振实验阶段,首先会得到不同截面的三维图像,在对其进行处理后,利用Matlab软件相关函数进行三维重建。三维重建方法经常用的是反投影重建算法。所谓“反投影”重构图像的思想为:断层平面中某一点的密度值可看作这一平面内所有经过该点射线的投影之和(或平均值)。就是说,反投影是一个将投影数据“均匀回抹”的过程,在不同的投影线交点处,像素值由各个投影数据叠加得到。反投影得到的是某一个断层截面,最后通过软件将不同的断层截面组合得到样品的三维视图。三维图像重建的算法还有很多,包括傅里叶变换重建、滤波反投影重建、卷积法重建以及代数重建等算法。把高分辨率的核磁共振成像技术和三维重构图像处理的软件结合起来,便可以得到高分辨率的物质内部三维分布。进行三维重建后,得到STL(Stereo Lithography,立体平板印刷)文件,STL格式的图像可以由一些网格生成工具如Gambit生成体网格。
4 结论
综上所述,核磁共振成像技术具有SEM、X-射线照相术所不具备的优势:无须破坏过滤介质内部结构,可以从宏观上对过滤介质进行扫描,不会影响其内空间分布率。得到不同截面的二维图像后,利用相关软件构建三维图像并对三维图像做进一步的处理,这样可以对实际结构的过滤器的过滤性能进行准确的预测。另外,纤维过滤器内微细颗粒的运动是一个复杂的过程,而且微细颗粒的运动及沉积将会严重影响过滤器的过滤性能。因此,在对成像结果分析后,构建实际过滤器的三维结构图像,以得到有关微细颗粒沉积的真实特性,这样可以提高数值预测的精度。

david760716 发表于 2011/9/16 18:26:23

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