第五章 結果與討論
5.3 振動過濾材對收集效率的影響
為了增加過濾材收集效率，近年來研究人員開始研究振動過濾材的對過濾 效率的影響，如Kim[20]開始提出振動過濾材的實驗研究，此研究中確實增加收 集效率，由於振動過濾材時，使得微塵粒子經過過濾材時，微塵粒子與過濾材所 造成的相對速度，相對過濾材靜止時有效提升，尤其像Kim[20]所作的實驗，振 動速度都是比進口速度大3~13 倍左右，因此相對速度的絕對值在絕大部份時都 是比靜止時的相對速度高上許多，因此對慣性項有相當大的幫助，且單位時間內 微塵粒子所可能碰撞的纖維數也會因此而增加，換句話說，由過濾材的觀點看，
微塵粒子被過濾材單位時間內掃過的量也因此增加，因此不管對所有的作用力而 言，都有可能因振動過濾材而有效上升收集效率，因此在本節將利用前面幾章所 推導的公式對振動過濾材做數值模擬，並與Kim[20]的實驗結果作為比較。
與Arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE)方法計算移動邊界的流場分佈，其結果將 振動流場週期以四分之ㄧ週期截取出，其中圖 5-10 為振動過濾材的初始週期流 場向量圖，圖5-11 為四分之ㄧ週期流場向量圖，圖 5-12 為二分之ㄧ週期流場向 量圖，圖 5-13 為四分之三週期流場向量圖，接著以週期輪回圖 5-10，圖中黑色 框框中代表過濾材在流場中的位置。
由圖5-10 Kim[20] 振動過濾器收集效率實驗設備圖可知，其所使用的實驗 設備有兩個pump，在圖中的編號分別為 Pump 1 與 Pump2，其中 Pump 2 是與過 濾材接通，因此從pump 2 離開的微塵粒子必定為流經過過濾材，但 pump 1 則與 過濾材分開，表示從此pump 1 離開的微塵粒子必不經過過濾材，這樣的實驗設 計在 Kim[20]並未清楚說明，在本研究觀察下，Kim[20]在慣性項的處理上，只 對過濾材與進口速度為正值才納入進行計算，因此對此實驗設計研判，進口速度 與過濾材的振動速度正向，即圖 5-10 中的過濾材往左移時，可能因振動過濾材 所產生的壓差過大，使得Pump 2 無法讓流場產生穩定的流場，使得進口速度無 法維持固定，且對Pump 2 負荷太過於大，因此必需設備設計上進行改良，因此 才做出兩個Pump 且不同管道的設計，但如此會使得造成進口速度與過濾材的振 動速度反相時的微塵粒子未經過過濾材而跑掉，因此此實驗設備與本研究中之模 型有所差別，因為本研究中的模型是將過濾材封住整個管道，強制使得所有的微 塵粒子經過過濾材，在振動速度遠大於進口速度幾倍時，進口速度對於振動速度 所產的相對速度幾乎可以忽略，因此不管振動速度與進口速度正向或反向，對收 集效率而言只考慮絕對值，且振動速度為弦波，正向與反向只是正負號的差別，
因此對增加收集效率所佔的比例都是相同大小的，這對慣性項所造成的過濾效率 必定有影響，因此本研究中所作出的結果和Kim[20]所做出的結果有所出入，只 是目前做振動過濾材的文章相當稀少，只能以Kim[20]之內容了解振動對收集效 率的影響。
圖5-11 為進口速度等於 10cm/s 之收集效率圖，圖中以實線代表靜止時本研
形(○)代表 30cm/s、10Hz 的振動過濾材的收集效率、以三角形(△)代表 50cm/s、
10Hz 的振動過濾材的收集效率，可看出不管在微塵粒徑任何範圍都可以看出比 靜止時收集效率高，由於過濾材靜止時，由於Kim[20]對兩個 pump 調節相當好 的緣故，過濾材靜止時，本研究所計算出的數值都與Kim[20]所做出的實驗值相 差無幾，Pump 1 所造成幾乎沒有影響，但當進口速度與過濾材振動速度差越多 時，Pump 1 的調節使得進口速度與過濾材的振動速度正相時，微塵粒子有部分 跑向Pump 1，在本理論的模型中，不管進口速度與過濾材的振動速度正向或反 向，都會納入計算，因此會有所出入，尤其在微塵粒子粒徑大於0.5μm 時，慣性 項對收集效率上的影響上是與微塵粒子與振動過濾材的相對速度絕對值成正比 如式(3-12c)，因此所計算出的值當進口速度與過濾材振動速度差越多時，所計算 出的值幾乎比實驗值高，其餘部分也因微塵粒子單位時間內與纖維碰撞可能增 加，使得在進口速度為10cm/s 與振動速度為 30cm/s、50cm/s 振動頻率 10Hz 時，
都比靜止過濾材的收集效率增加，甚至比Kim[20]所做的實驗值為高，尤其是在 微塵粒子粒徑大於0.5μm。
圖5-12 為進口速度等於 5cm/s 之收集效率圖，可看出不管在微塵粒徑任何 範圍都可以看出比靜止時收集效率高，由於過濾材靜止時，由於Kim[20]對兩個 pump 1 調節相當好的緣故，過濾材靜止時也都 Kim[20]所做出的實驗值相差無 幾，Pump 1 所造成幾乎沒有影響，但當進口速度與過濾材振動速度差越多時，
Pump 1 的調節使得進口速度與過濾材的振動速度正相時，微塵粒子有部分跑向 Pump 1，在本理論的模型中，不管進口速度與過濾材的振動速度正向或反向，都 會納入計算，因此會有所出入，尤其在微塵粒子粒徑大於0.3μm 時，慣性項對收 集效率上的影響上是與微塵粒子與振動過濾材的相對速度絕對值成正比如式 (3-12c)，因此所計算出的值當進口速度與過濾材振動速度差越多時，所計算出的 值幾乎比實驗值高，其餘部分也因微塵粒子單位時間內與纖維碰撞可能增加，與 圖 5-11 相比，在進口速度與振動速度相差越多時，因 Kim[20]省略的反向的收
升比例更為明顯，使得在進口速度為 5cm/s 與振動速度為 30cm/s、50cm/s 振動 頻率 10Hz 時，都比靜止過濾材的收集效率增加，甚至比 Kim[20]所做的實驗值 為高，尤其是在微塵粒子粒徑大於0.5μm。
圖5-12 為進口速度等於 5cm/s 之收集效率圖可知，由於在進口速度與振動 速度相差越多時，因Kim[20]省略的反向的收集效率，會使得本研究所計算出的 值差越多，尤其在大於0.3μm 時，慣性項的上升比例更為明顯，因此理論值應較 實驗值，在進口速度在3cm/s 時微塵顆粒徑小於 0.3μm 時，由式(3-12a)可看出擴 散項對於微塵粒子與過濾材的相對速度有直接的關係且呈反比，使得兩者相對速 度越大時影響的收集效率越低，此原因使得在進口速度為3cm/s、微塵粒子粒徑 小於0.3μm 時，本研究計算的值會因振動速度的增加而減少，且 Kim[20]省略的 反向的收集效率，因此本研究計算的收集效率會降低也必須比實驗值高，但利用 本研究計算在進口速度為3cm/s、微塵粒子粒徑小於 0.3μm 時卻會較實驗值低，
可能是因振動會使得流場過於不穩定，使得微塵粒子的擴散作用力因而增加，這 點在Kim[20]文章中也有此論點，但由於目前文章稀少，實驗數據難以取得，使 得難以對擴散項進行調整與修正。
表 5-1 研究參數表
進口速度 0.1 m/s 孔隙率 0.9823
纖維直徑 6 μm
過濾材厚度 5.2 mm
懸浮粒子粒徑 1 μm
10-3 10-2 10-1 100 0
20 40 60 80 100
5-1 進口速度與收集效率關係圖 Velocity (m/s)
Collection Ef ficiency (%)
total diffusion interception inertial
DR interaction
0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 0
20 40 60 80 100
5-2 孔隙率與收集效率關係圖 total
diffusion interception inertial
DR interaction
Collection Ef ficiency (%)
Porosity
10-1 100 101 102 0
20 40 60 80 100
5-3 纖維直徑與收集效率關係圖 total
diffusion interception inertial
DR interaction
Collection Ef ficiency (%)
Porous Diameter (μm)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0
20 40 60 80 100
5-4 過濾材厚度與收集效率關係圖 total
diffusion interception inertial
DR interaction
Collection Ef ficiency (%)
Thickness (m)
10-2 10-1 100 101 0
20 40 60 80 100
5-5 懸浮粒子粒徑與收集效率關係圖 total
diffusion interception inertial
DR interaction
Collection Ef ficiency (%)
Particle Diameter (μm)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0
100 200 300 400
5-6 進口速度與過濾材壓力差關係圖 Velocity (m/s)
P re ssu re (Pa )
0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 0
100 200 300 400 500 600
5-7 孔隙率與過濾材壓力差關係圖
P re ssu re (Pa )
Porosity
100 101 102 0
200 400 600 800 1000 1200 1400
5-8 纖維直徑與過濾材壓力差關係圖
P re ssu re (Pa )
Porous Diameter (μm)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0
1000 2000 3000 4000
5-9 過濾材厚度與過濾材壓力差關係圖
P re ssu re (Pa )
Thickness (m)
X
Y
5.95 6 6.05 6.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
5-10 週期初始流場向量圖
filter
X
Y
5.95 6 6.05 6.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
圖 5-11 四分之ㄧ週期流場向量圖
filter
X
Y
5.95 6 6.05 6.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
5-12 二分之ㄧ週期流場向量圖
filter
X
Y
5.95 6 6.05 6.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
5-13 四分之三週期流場向量圖
filter
5-14 Kim[20]震動過濾器收集效率實驗設備圖
5-15 進口速度等於 10cm/s 之收集效率圖
5-16 進口速度等於 5cm/s 之收集效率圖
5-17 進口速度等於 3cm/s 之收集效率圖
第六章 結論
本文將利用多孔性介質模擬過濾材，並利用葛拉金有限元素法(Galerkin FEM)計算過濾管道內部之流場分佈，且利用軌跡理論(Trajectory Theory)模擬汙 染顆粒在流場中之行徑過程，以及利用分子碰撞理論(Molecular collision theory) 結合前人所推導出的單一吸附粒子收集效率，模擬污染物質在過濾系統中的捕集 過程以及收集效率之計算，此理論不只可研究過濾材的捕集過程與收集效率，更 可在大型過濾系統中使用，如計算無塵室流場，即可利用本理論進行無塵室的潔 淨度分析。
在研究中利用本理論，對各過濾材參數變化進行研究，了解進口速度與微 塵粒子粒徑皆會在一特定值出現收集效率最低值，其餘參數與收集效率產生一定 趨勢，最後以振動過濾材進行研究，利用本研究理論計算與Kim[20]的實驗量測，
發現過濾材振動確實可提升收集效率，且過濾材振動對擴散效率應有所提升，但 以目前文獻難以對其因素做修正。
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