GeoDict 应用 · 过滤

面向滤材、滤芯、完整过滤器与催化转化器的数字化解决方案

针对滤材、滤芯、完整过滤器及催化转化器材料研发中的具体课题，GeoDict提供了一系列数字化解决方案。以下案例研究展示了GeoDict仿真软件如何助力优化过滤材料的微结构。

案例一：先进过滤技术——物理与静电过滤联合仿真

与 IUTA 研究所合作完成的科学验证项目

滤材设计需要在多项相互制约的需求之间取得平衡：既要实现高过滤效率，又要保持低气流阻力；此外，材料成本、制造公差及长期性能表现也是必须兼顾的挑战。仿真技术为此提供了强大的解决方案，可以实现:

• 预测不同微结构形态下的过滤性能;
• 快速比较各类设计方案;
• 减少成本高昂的试错实验;
• 深入洞察驱动颗粒捕获的微观机制;
• 用仿真结果对实验结果进行验证。

这一成果对GeoDict用户意味着什么?

GeoDict 的功能可用于对驻极体滤材(electret filter)进行建模——这类滤材因其优异的过滤性能而在工业中被广泛应用,其工作原理是依靠带电纤维与颗粒之间的静电相互作用实现过滤。要实现精确的性能预测,需要专门的仿真工具。在德国联邦经济与气候保护部(BMWK)"中小企业中央创新计划"支持下,ElekSim 项目正在开发一套专为驻极体滤材设计的定制化仿真平台,以支持更高效、更精确的滤材设计与优化。该项目与 IUTA 研究所(Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e.V.)合作,纳入并验证了多种颗粒加载条件与纤维放电行为。

第一部分:图像分割——将实验图像转换为三维数字材料

GeoDict 将通过显微 CT 或 FIB-SEM 分析获得的真实滤材三维图像转换为数字材料,真实滤材结构因而成为后续所有过滤分析与仿真的基础。研究测试了五种具有独特形状与形态的样品(滤材 A–E),例如滤材 A 为聚丙烯材质,采用随机森林(Random Forest,一种人工智能方法)进行分割,尺寸为 3416×2451×295,体素长度为 3 µm;滤材 D 体素长度最细,达 0.4 µm。

使用模块:ImportGeo-Vol、FiberFind、MatDict

第二部分:物理过滤——颗粒的非静电分离

物理过滤依靠纤维与孔隙的几何结构对颗粒实现机械捕获,纤维直径、堆积密度及孔隙形态是其中的关键因素。

使用模块:FlowDict、FilterDict

第三部分:静电过滤

静电过滤借助静电力增强颗粒捕获能力,带电纤维能够吸附并留住原本可能穿过物理孔隙逃逸的细小颗粒。在物理与静电仿真中,仿真所需时间均随所选取子体积区域的增大而增加。

使用模块:FlowDict、FilterDict

驻极体滤材的 GeoDict 解决方案

除 GeoDict Base 之外,GeoDict 软件包已涵盖驻极体滤材研发及滤材静电影响分析所需的全部模块。

具体最适合的模块组合,取决于您的具体应用类型。

致谢:感谢德国联邦经济与气候保护部(BMWK)及 Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e.V.(IUTA)的支持。

原文链接:Advanced Filtration Technology: Physical And Electrostatic Filter Simulations

https://www.math2market.com/geodict-software/geodict-applications/filtration/validation-of-electrostatic-properties.html

案例二：借助GeoDict优化滤材结构

在不牺牲其它两项性能指标的前提下，提升容尘量

滤材性能通常由三项关键参数决定:

• 容尘量(DHC)：表示滤材在达到最大允许压降之前,能够捕获并留住的固体颗粒总量;
• 过滤效率：衡量滤材分离固体颗粒的有效程度,以百分比表示——对于给定的颗粒粒径,滤材在清洁状态下的效率可能相对较低,但随着使用寿命的延长、捕获颗粒的增多而不断提高;
• 压降：滤材进出口之间的压力差,该数值会随着颗粒的不断聚积、孔隙的逐渐堵塞及流动阻力的上升而持续增大。

理想的滤材应同时具备高容尘量、高过滤效率与低压降,但由于这三项参数相互制约,优化其中两项往往需要以牺牲第三项为代价。本案例研究的目标是：在不损害过滤效率与压降表现的前提下,提升容尘量。

结构生成与仿真流程概述:

• 生成均匀分布结构;
• 使用 FlowDict 进行渗透率与压降的流动仿真;
• 借助 FiberGeo 与 FlowDict 开展自动化参数化研究,生成渗透率相近的线性分布与指数分布结构;
• 使用 FilterDict 运行多次通过(multi-pass)仿真。

参考文献 Azimian, M., Kühnle, C. and Wiegmann, A. (2018), Design and Optimization of Fibrous Filter Media Using Lifetime Multipass Simulations. Chem. Eng. Technol., 41: 928-935. DOI: 10.1002/ceat.201700585

滤材结构优化

研究人员建模了三种不同的滤材结构,以示意性地展示研发过程。每种结构均由两种不同直径的玻璃纤维组成:较粗的纤维为滤材提供刚性支撑,较细的纤维则承担主要过滤功能。为确保边界条件的可比性,三种结构均采用相同的纤维类型与相同的纤维直径,粗纤维在各滤材中的统计分布方式也保持一致,因而三种结构具有相同的初始渗透率与初始压降,唯一的区别在于细纤维在滤材内部的分布方式:

• 均匀分布:细纤维在整个滤材中均匀分布;
• 线性分布:细纤维数量随滤材深度呈线性增加;
• 指数分布:细纤维数量随滤材深度呈指数增加。

该参数化研究中纤维介质的建模与仿真,均通过 GeoDict 全自动完成。

使用 FlowDict 进行流动仿真

所谓的 β 比值(β-ratio)常被用作衡量过滤效率的指标,通过多次通过测试中上游颗粒与下游颗粒的比值计算得出,并以下标标注其适用的颗粒粒径。据此,滤材效率可通过 β 比值针对给定颗粒粒径进行换算——例如,某滤材在 22 µm 粒径下的 β 比值为 200,意味着所有大于 22 µm 的颗粒中有 99.5% 被滤除。

FlowDict 用于仿真并验证三种结构的渗透率与初始压降损失。若三者数值不具可比性,系统将自动生成经过调整的线性或指数分布结构,并重复此过程,直至渗透率与压降损失均达到一致。

多次通过测试与多次通过仿真

下一步,依照 ISO 4548-12:2017 标准对全部结构进行多次通过测试,以确定其容尘量(DHC)及相应的压力上升情况。该标准化测试程序常用于液压油、发动机机油及燃油滤材,用于测量过滤效率与压力损失。在测试过程中,颗粒不断在滤材中聚积,逐渐堵塞孔隙,导致渗透率下降、过滤效率提高、压力随时间上升。

在多次通过仿真中,液体在系统中循环流动,滤材上游的颗粒粒径分布及浓度也随时间演变。本案例研究中,全部多次通过寿命仿真均在 20,000 秒后或进流区域被颗粒完全填满时自动终止。为给较大颗粒在滤材上方提供充足的沉积空间,进流区域被延伸了 200 个体素,最终结构总尺寸为 600×600×1,800 体素。在配备 128 GB 内存与 12 个并行进程的标准工作站上,每次过滤仿真大约需要 1–3 天完成。

多次通过仿真结果

结果表明,容尘量会因滤材内部纤维分布方式的不同而产生显著差异。对于均匀分布与线性分布的纤维结构,压力的急剧上升清楚地表明了滤饼(filter cake)的形成;相比之下,采用指数分布的纤维结构,即使到仿真结束时也未观察到明显的滤饼形成——在这种情况下,颗粒得以更深入地渗透进滤材内部,从而延迟了滤饼的形成及随之而来的压力骤升。

综上所述,相较于线性分布与指数分布,均匀分布在压降表现方面存在明显劣势:均匀结构中滤饼过早形成,导致压力迅速上升。这一结果同样可以在 GeoDict 中进行可视化呈现——图像清晰展示了不同的颗粒沉积行为:均匀分布情形下滤饼快速形成,只有少部分颗粒能够进入深层过滤;而指数分布结构则能够在滤饼开始形成之前容纳明显更多的颗粒,从而延迟了压降的急剧上升。

本案例研究充分展示了 GeoDict 如何通过对微结构进行针对性调整,来优化现有滤材并设计出性能更优的全新滤材。

原文链接:Optimization of Filter Media Structures with GeoDict

https://www.math2market.com/geodict-software/geodict-applications/filtration/optimization-of-filter-media-structures-with-geodict.html

案例三：生成圆柱形褶皱滤芯，数字化优化滤芯流动性能

近年来，在微观尺度上通过数字化设计新型几何结构以优化过滤相关参数的研究日益重要；在更大尺度上——例如对包含外壳的整个滤芯元件进行流动与过滤仿真时，计算机辅助设计(CAD)的应用同样备受关注。

然而，若要对不同几何构型开展系统化的数字化实验，通常需要将这些结构逐一以 CAD 方式创建并单独导入。为此，GeoDict 在 PleatGeo 模块中推出了最新的软件功能，可生成褶皱数量、褶皱厚度及多孔层数各不相同的多种圆柱形褶皱结构。

借助该功能，可轻松创建合适的圆柱形褶皱结构，并通过求解(纳维-)斯托克斯-布林克曼方程，对所得滤芯的压降及其他过滤相关参数进行数字化研究。本案例中，研究人员针对不同褶皱数量与体积流量的滤芯结构开展了仿真，找出了压降的局部最小值，以及滤材面积与褶皱数量之间的理想配置——这意味着滤芯原型的性能可在数字环境中完成测试，无需依赖高成本的实际生产与测试环节，只有具有潜力的原型才需在测试台架上进行实测。这类系统化仿真还可借助云计算应用运行，以提升生产效率，实现不同几何形状或流量条件下多组仿真的同步运行。

具体步骤

• 导入 CAD 几何模型;
• 使用 PleatGeo 生成圆柱形褶皱结构;
• 对滤芯流动性能进行仿真。

研究结果

• 参数化研究结果表明,该滤芯的最优褶皱数量为 56 个;
• 本研究的全部仿真均在一台标准的 16 核工作站上完成;
• 每次仿真大约需要 67 GB 内存及约 1.4 小时的计算时间。

这对客户意味着什么?

• 可高效地以数字化方式测试不同滤芯褶皱配置的影响;
• 高成本、耗时的台架实测可仅限于对最具潜力的原型进行;
• 显著提升产品上市速度;
• 可直接部署于云端环境运行;
• 可开展参数化研究,包括调整褶皱数量、体积流量或不同流体粘度等。

第一部分:导入 CAD 几何模型

本案例采用一款简单的机油滤芯作为演示对象,滤芯结构以 .stl 格式文件通过 ImportGeo-CAD 模块导入 GeoDict。导入过程中,所导入滤芯几何的每个材料 ID 都会被赋予不同颜色,随后可通过内置材料数据库将各材料 ID 与相应的材料参数关联,并需指定进出口位置(如壳体底部组件处以橙色箭头标注进口、蓝色箭头标注出口)及所用流体。在导入与体素化步骤中,GeoDict 会对几何结构的水密性给出反馈,这对仿真成功与否至关重要——若结构初始并未完全封闭,可利用 GeoDict 内置功能对几何进行密封处理,从而节省单独修复原始输入数据的时间。滤芯结构几何可保存为文件,供后续仿真或参数化研究重复使用,无需每次重新导入 .stl 文件。

使用模块:PleatGeo、LayerGeo

第二部分:使用 PleatGeo 生成圆柱形褶皱结构

为开展系统化测试或优化滤芯流动性能,研究人员使用了多组褶皱滤材,以找出压降的局部最小值,从而确定滤材面积与褶皱数量之间的理想配置。为此,借助 PleatGeo 建模圆柱形褶皱这一全新功能,生成了多种褶皱数量配置的结构。输入参数包括内外径、褶皱数量、褶皱高度,以及褶皱谷底与顶端处的内半径。输入数值后,几何结构随即被建模并保存为 .stl 文件;随后该 .stl 结构被导入并体素化,以数字化方式精确嵌入滤芯几何的正确位置。

使用模块:ImportGeo-CAD、PleatGeo、LayerGeo

第三部分:滤芯流动性能仿真

在生成多组不同褶皱数量的滤芯几何后,利用 FlowDict 模块计算压力与流速分布,所采用的(纳维-)斯托克斯-布林克曼方程通过 GeoDict 内置的快速、内存高效的 LIR 求解器求解。该求解器采用自适应网格划分,在交错网格方案上于远场区域粗化数值分辨率,并在贴近表面处细化分辨率,同时结合多重网格法与 Krylov 求解方案等先进数值方法进一步提升计算效率。滤芯褶皱部分采用布林克曼项建模,将其视为具有指定材料渗透率的多孔层(渗透率数据可来自滤材尺度的测量或仿真结果)——由于完整滤芯仿真的数值分辨率过大,无法直接解析滤材的个体特征,因此这一多孔层处理方式是必要的。

圆柱形滤芯褶皱通过 PleatGeo 模块中的一组用户输入参数完成设计,滤芯外壳几何的具体规格则由所导入的 CAD 文件提供。随后,原始滤芯外壳几何与新设计的褶皱几何被组合为一个数字化原型,并利用 FlowDict 对该原型的流动性能进行数字化评估;为改进初步结果,还可通过参数化研究对初始输入参数进行调优——借助 GeoPy 环境中的 Python 脚本及 GeoDict 的云计算能力,这类参数化研究可轻松开展,以更大规模地测试与优化流动性能。

使用模块:ImportGeo-CAD、PleatGeo、LayerGeo

结果

仿真结果以二维视角展示了机油流经褶皱与内部滤网的速度分布,以及整个滤芯的三维截面视图。速度分布图显示,在滤芯元件与外壳之间的区域存在高速区,因而压力损失也较大。压降计算结果表明,在多组褶皱数量配置中,56 褶皱配置的压降最低,即滤材面积与褶皱数量之间达到了理想比例。本研究的仿真均在配备 16 核的标准工作站上完成,每次仿真大约需要 67 GB 内存及约 1.4 小时的计算时间。借助内置的"云端运行"(Run-in-cloud)按钮,一整套仿真或整个参数化研究均可同步运行,这为提升生产效率、大幅缩短产品上市周期开辟了新的可能,对于临近截止日期的大型系统化研究尤为有价值。

数字化设计、测试并优化明日的滤芯

本案例展示了 GeoDict 中用于生成滤芯圆柱形褶皱几何的全新功能,并对其流动性能进行了测试与优化,使用户能够高效地以数字化方式测试不同滤芯褶皱数量配置所带来的影响,从而将成本高昂且耗时的台架实测,仅限于对最具潜力的原型开展。

参考文献 （略）

原文链接:Generation of Cylindrical Pleated Cartridges and Digital Optimization of Filter Flow Performance

https://www.math2market.com/geodict-software/geodict-applications/filtration/generation-of-cylindrical-pleated-structures-for-optimization-of-digital-filter-flow-performance.html

案例四：防护口罩滤材的设计、建模、仿真与优化

为回应全球对安全个人防护装备的需求,以及加快口罩研发与优化速度的迫切需要,本案例展示了 GeoDict 软件如何被用于设计、建模、仿真、分析并优化口罩滤材,以提升其过滤特性。

滤材的过滤特性主要取决于其滤材本身,这些宏观性能可通过分析、理解并优化滤材的纳米及/或微观结构来加以改善。除微观尺度的流动仿真外,GeoDict 还能够精确仿真流体通过纳米纤维介质的流动过程,并正确考虑滑移长度(slip length)的影响。

仿真结果是什么?

最终结果是识别出具有最高过滤效率、最低压降,同时通过节省材料实现最经济设计的最佳数字化滤材设计方案。

这对您意味着什么?

这一独特的 GeoDict 数字化工作流程,代表了面向多孔介质数字化研发材料设计的一套高效、可持续、达到当前技术前沿水平的方法论,本案例以滤材为例进行了具体展示。

使用模块:ImportGeo-Vol、FiberFind、FilterDict

研究方法

1. CT 扫描图像处理 本案例研究中,一款知名外科手术口罩的双层滤材样品,通过纳米 CT 以 400 nm 的分辨率完成扫描;随后,GeoDict 的 ImportGeo-Vol 模块被用于导入、处理并分割扫描图像。

2. 灰度图像的图像分析 接下来,FiberFind 模块被用于分析灰度图像,获取有关纤维的相关信息;基于这些信息,可对样品的纤维直径、纤维取向及卷曲程度等几何特征进行评估。

3. 仿真与验证 随后,利用 FilterDict 模块仿真该滤材的过滤寿命,仿真结果与海尔布隆应用技术大学(Heilbronn University of Applied Sciences)Berger 等人所完成的实验室实测数据进行了比较与验证。

4. 滤材优化 在优化阶段,研究团队将重点放在改进滤材细密层(fine layer)上,原因是主要的过滤任务及大部分压力损失均发生在这一特定层。在此步骤中,研究人员建模了大量三维数字化原型,并利用 GeoDict 进行仿真。得益于 GeoDict 软件基于 Python 脚本(GeoPy)的自动化能力,这类大规模的参数化优化研究得以顺利实现。

案例结论

这些可靠的定量仿真,为新型滤材及性能寿命更优的滤芯研发提供了省时省成本的解决路径。得益于研发周期的大幅缩短,产品研发阶段可显著提速;通过在实际生产之前便以数字化方式深入洞察材料原型及其性能的丰富信息,创新的实现也变得更加容易。

GeoDict 已被客户广泛应用于产品的设计与改进工作中,他们从中获益于研发时间与成本的显著降低,从而获得性能更优的过滤材料。借助 GeoDict 进行仿真,不仅节省了时间与资金,更以可持续、高效的方式,让未来的创新今天就能实现。

致谢:感谢Niessner 教授及其团队的密切合作,以及提供的实验数据。

原文链接:Design, modelling, simulation and optimization of filter media for protective face masks

https://www.math2market.com/geodict-software/geodict-applications/simulation-of-filter-media-protective-face-masks.html

结语

从驻极体滤材的静电过滤机制、滤材内部纤维分布的微结构优化，到圆柱形褶皱滤芯的参数化设计，再到防护口罩滤材的完整数字化研发流程，以上四篇案例研究充分展示了GeoDict在过滤材料研发领域的全面能力。无论是滤材、滤芯,还是包含外壳的整机过滤器，GeoDict都能够将扫描数据或数字化生成的三维微结构，与经过验证的高性能流动、过滤及静电仿真求解器紧密结合，帮助用户在虚拟环境中精确预测过滤效率、压降与容尘量等关键性能指标，大幅减少昂贵且耗时的实物试错实验，将有限的台架测试资源集中在最具潜力的原型方案上，从而显著缩短产品研发周期、降低研发成本，加速新一代高性能过滤材料的诞生。

如您希望进一步了解GeoDict在过滤材料研发领域的具体应用，或希望获取免费试用许可，欢迎联系覃思科技，我们将根据您的实际需求提供专业的技术支持与解决方案建议。