基于Visual C#和MATLAB的纖維過(guò)濾介質(zhì)性能計(jì)算及軟件開發(fā)

楊 洪，趙 鵬，余紹龍，王 帆，錢付平

（安徽工業(yè)大學(xué)a.能源與環(huán)境學(xué)院;b.建筑工程學(xué)院;c.計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽馬鞍山243000）

基于Visual C#和MATLAB的纖維過(guò)濾介質(zhì)性能計(jì)算及軟件開發(fā)

楊 洪a，趙 鵬b，余紹龍b，王 帆c，錢付平b

（安徽工業(yè)大學(xué)a.能源與環(huán)境學(xué)院;b.建筑工程學(xué)院;c.計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽馬鞍山243000）

基于Visual C#和MATLAB語(yǔ)言的混合編程，提出纖維過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾性能計(jì)算的軟件開發(fā)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維過(guò)濾介質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的重建及其過(guò)濾性能的計(jì)算。首先通過(guò)掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）成像獲得過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)二維圖像，提取過(guò)濾介質(zhì)的幾何參數(shù)，根據(jù)纖維半徑和方向等參數(shù)重建過(guò)濾介質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，利用經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算過(guò)濾介質(zhì)的壓降和效率。以Visual Studio 2010為開發(fā)平臺(tái)，Visual C#為開發(fā)語(yǔ)言，基于dll文件調(diào)用MATLAB程序，最終完成該軟件的開發(fā)。與利用數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)方法計(jì)算過(guò)濾介質(zhì)性能相比，利用該軟件計(jì)算過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾性能，方法簡(jiǎn)單、便捷。

Visual C#和MATLAB；纖維過(guò)濾介質(zhì)；性能計(jì)算；軟件開發(fā)

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的深入推進(jìn)，能源資源消耗持續(xù)增加，帶來(lái)了嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題。其中粉塵會(huì)對(duì)大氣環(huán)境、生產(chǎn)和人體健康造成有害的影響，尤其是可吸入顆粒物（PM2.5）會(huì)嚴(yán)重威脅人類的健康[1]?！笆濉币?guī)劃綱要明確規(guī)定，將粉塵污染物排放標(biāo)準(zhǔn)提高至20～50 mg/m3[2]?！董h(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)也對(duì)環(huán)境空氣功能區(qū)的PM10及PM2.5的濃度限值做出了新的規(guī)定[3]?！洞髿馕廴痉乐涡袆?dòng)計(jì)劃》對(duì)2017年前大氣污染治理給出了詳細(xì)治理藍(lán)圖，并對(duì)各省市降低PM2.5濃度提出具體要求[4]。因此，凈化和去除空氣中懸浮顆粒物對(duì)保護(hù)環(huán)境和保障公眾健康都具有重要意義。

袋式除塵器因其除塵效率高、運(yùn)行性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[5]。影響袋式除塵器濾料特性的關(guān)鍵因素是過(guò)濾介質(zhì)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于袋式除塵器而言，過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)及其性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)纖維過(guò)濾介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)性能計(jì)算的方法主要基于經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬。如：于先坤[6]建立了具有一定曲率k的隨機(jī)結(jié)構(gòu)過(guò)濾介質(zhì)模型，通過(guò)數(shù)值模擬研究了曲率對(duì)其過(guò)濾性能的影響，并與Davies經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行比較。徐芳芳等[7-8]基于VBA編程，創(chuàng)建三維隨機(jī)排列纖維過(guò)濾介質(zhì)模型，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件模擬計(jì)算其內(nèi)部流場(chǎng)。方鑫等[9]對(duì)布袋除塵中氣固兩相流模擬，將計(jì)算域內(nèi)的濾料纖維介質(zhì)簡(jiǎn)化為一系列的圓柱體錯(cuò)位排列在流場(chǎng)中間，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。Lux等[10]及Delisée等[11]利用X射線對(duì)木基纖維材料進(jìn)行顯微成像，并對(duì)三維圖像進(jìn)行處理，得到性能參數(shù)等微觀結(jié)構(gòu)信息。朱小潔[12]基于SEM獲取纖維過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部微觀斷面結(jié)構(gòu)的SEM圖像，通過(guò)MATLAB提取纖維斷面邊緣信息，定義纖維的走向和彎曲，結(jié)合MATLAB與Gambit重建過(guò)濾介質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)模型并對(duì)其過(guò)濾特性影響的CFD-DEM模擬研究，與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)果進(jìn)行比較。然而經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算基于單纖維理論，數(shù)值模擬研究在建模的過(guò)程中通常將過(guò)濾介質(zhì)模型簡(jiǎn)化處理。而基于真實(shí)結(jié)構(gòu)過(guò)濾介質(zhì)的數(shù)值模擬具有專業(yè)性強(qiáng)、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、代價(jià)高、不易操作等缺點(diǎn)。

本文在傳統(tǒng)過(guò)濾介質(zhì)性能計(jì)算的基礎(chǔ)上提出軟件化的計(jì)算方式，以實(shí)際纖維過(guò)濾介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像為基礎(chǔ)，通過(guò)MATLAB對(duì)其進(jìn)行圖像處理，重建纖維過(guò)濾介質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。將壓力損失及過(guò)濾效率的經(jīng)驗(yàn)公式在MATLAB的M文件中編寫為代碼，對(duì)過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾性能進(jìn)行計(jì)算。并基于Visual C#和MATLAB語(yǔ)言的混合編程，提出纖維過(guò)濾介質(zhì)性能計(jì)算軟件的開發(fā)方案，由此計(jì)算纖維過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾性能，為優(yōu)化過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)。

1 基于圖像處理的纖維過(guò)濾介質(zhì)三維結(jié)構(gòu)重建

對(duì)纖維過(guò)濾介質(zhì)三維結(jié)構(gòu)重建基于真實(shí)過(guò)濾介質(zhì)的SEM圖像，如圖1。圖像的分辨率直接影響圖像處理的結(jié)果。SEM成像越清晰，重建出結(jié)構(gòu)模型的復(fù)原度越高；SEM成像模糊，則重建出來(lái)的效果越差且過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)也會(huì)改變。圖1的分辨率為696×694。

1.1 纖維過(guò)濾介質(zhì)三維結(jié)構(gòu)重建

通過(guò)MATLAB imread函數(shù)讀取過(guò)濾介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像信息，并在M文件中編寫圖像處理的程序，重建過(guò)程如圖2。圖2中過(guò)程①對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，本文采用固定閾值法，結(jié)果見圖2。過(guò)程②是對(duì)二值化處理圖進(jìn)行中心線提取，圖像經(jīng)二值化處理后，所有像素點(diǎn)由0和1兩個(gè)值表示（0表示的是纖維，1表示的是孔隙）。通過(guò)8個(gè)方向檢測(cè)，將相同值的像素點(diǎn)聯(lián)通成區(qū)域，將聯(lián)通區(qū)域的中心點(diǎn)連接成線，即中心線。過(guò)程③對(duì)已經(jīng)存儲(chǔ)纖維中心線上的單個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)模型的重建，以該像素點(diǎn)為圓心，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的半徑值及纖維的方向，經(jīng)旋轉(zhuǎn)后的圖像就是這個(gè)像素點(diǎn)的三維重建圖像。過(guò)程④過(guò)濾介質(zhì)整體的三維結(jié)構(gòu)重建是所有像素點(diǎn)三維重建的集合，利用這種三維重建的方法可將整個(gè)單層纖維完整的重建出來(lái)，并保存其信息。

1.2 纖維過(guò)濾介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)提取

纖維過(guò)濾介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有孔隙率(ε)、填充密度(α)、平均直徑(df)等，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算纖維過(guò)濾介質(zhì)性能與過(guò)濾介質(zhì)的填充密度和平均直徑有關(guān)。通過(guò)二值化后的圖像獲得過(guò)濾介質(zhì)的孔隙率及平均直徑，再由孔隙率得到填充密度。

1.2.1 填充密度

填充密度是反映過(guò)濾介質(zhì)最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。由于過(guò)濾介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像是由多個(gè)像素點(diǎn)組成，圖像經(jīng)二值化處理后，其孔隙率為黑色區(qū)域與整個(gè)區(qū)域像素點(diǎn)所占比例，提取的孔隙大小統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3中，橫坐標(biāo)表示組成區(qū)域的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；縱坐標(biāo)表示該孔隙區(qū)域面積個(gè)數(shù)的對(duì)數(shù)值。圖像大小為696×694。計(jì)算孔隙率的表達(dá)式為

其中：A1，A2，…，An分別表示每個(gè)聯(lián)通區(qū)域的面積（以像素點(diǎn)的數(shù)目表示）；N1，N2,，…，Nn分別表示孔隙面積為Ai的區(qū)域的個(gè)數(shù)。

對(duì)圖1所示實(shí)例計(jì)算得纖維孔隙率ε=0.555，則過(guò)濾介質(zhì)填充密度為α=1-ε=0.445。

1.2.2 平均直徑

在圖2的過(guò)程③，即中心線提取過(guò)程中，保存了每根纖維直徑大小。由于每根纖維的直徑大小都不同，并將直徑像素點(diǎn)個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)化為以μm為單位的大小，提取的纖維直徑分布如圖4所示。對(duì)纖維直徑進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，即

其中：d1，d2，…，dn分別表示單根纖維的直徑；M1，M2，…，Mn分別表示纖維直徑為di的纖維的個(gè)數(shù)。

對(duì)于圖1所示實(shí)例計(jì)算得纖維平均直徑df=0.89 μm。

1.3 纖維過(guò)濾介質(zhì)重建結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性

本文以實(shí)際過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)圖像為基礎(chǔ)重建過(guò)濾介質(zhì)，考察重建過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)與實(shí)際過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性，比較重建過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)與實(shí)際過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)彎曲、走向、空間分布、纖維直徑等因素。纖維的彎曲、走向及每根纖維的直徑是根據(jù)實(shí)際模型生成的，與實(shí)際過(guò)濾介質(zhì)中的纖維分布基本一致。圖5比較了局部實(shí)際過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)的與重建過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)中纖維的空間分布。

由圖5可知：纖維在過(guò)濾介質(zhì)中的分布均是隨機(jī)的，呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則性；重建過(guò)濾介質(zhì)與實(shí)際過(guò)濾介質(zhì)纖維的彎曲、走向及每根纖維的直徑基本一致，因此其排列結(jié)構(gòu)十分接近，進(jìn)一步說(shuō)明了重建過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性。

2 纖維過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾性能計(jì)算

基于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算纖維過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾性能，利用MATLAB根據(jù)壓力損失與過(guò)濾效率的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算迎面風(fēng)速對(duì)壓力損失的影響曲線及不同迎面風(fēng)速下顆粒物直徑對(duì)過(guò)濾效率的影響曲線。

2.1 壓力損失的理論計(jì)算

根據(jù)達(dá)西(Darcy)定律，一般纖維過(guò)濾介質(zhì)的潔凈過(guò)濾壓力損失可以表示為空氣黏度(μ,Pa?s)、過(guò)濾介質(zhì)厚度(t,μm)、氣體迎面風(fēng)速(v,m/s)、纖維平均直徑(df,μm)材料填充密度(α,%)的函數(shù)[13]：

其中：Δp表示壓力損失；f(α)表示無(wú)因次壓力損失，本文選擇3種無(wú)因次壓力損失 f(α)進(jìn)行比較，如表1所示[13]。迎面風(fēng)速對(duì)壓力損失的影響曲線如圖6。

2.2 過(guò)濾效率理論計(jì)算模型

過(guò)濾介質(zhì)對(duì)顆粒的捕集主要依賴于布朗擴(kuò)散、直接攔截和慣性碰撞3種機(jī)理的綜合作用，為了預(yù)測(cè)單纖維的過(guò)濾效率（Single Fiber Efficiency，SFE，E∑），許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究?？紤]以上各種捕集機(jī)理聯(lián)合作用時(shí)，單纖維的捕集效率為[12]

其中：ED，ER和EI分別表示擴(kuò)散效率、攔截效率及慣性碰撞效率，其經(jīng)驗(yàn)公式分別如表2[12]。不同迎面風(fēng)速下顆粒物直徑對(duì)過(guò)濾效率的影響曲線如圖7。

表1 無(wú)因次壓力損失公式Tab.1 Dimensionless pressure loss formula

表2 不同類型的效率公式Tab.2 Different types of efficiency formula

3 基于Visual C#和MATLAB混合編程的軟件開發(fā)

3.1 Visual C#和MATLAB混合編程

纖維過(guò)濾介質(zhì)性能計(jì)算軟件通過(guò)讀取纖維過(guò)濾介質(zhì)SEM圖像，對(duì)其進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)重建，并提取過(guò)濾介質(zhì)幾何參數(shù)（填充密度和平均直徑），通過(guò)獲取的幾何參數(shù)，對(duì)纖維過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾性能進(jìn)行理論計(jì)算（即經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算），得到其壓降和效率曲線。

C#具有強(qiáng)大的界面功能，可用于開發(fā)人機(jī)交互界面，MATLAB計(jì)算能力突出，用于進(jìn)行復(fù)雜的圖像處理算法，故采用C#與MATLAB混合編程方式實(shí)現(xiàn)纖維過(guò)濾介質(zhì)性能計(jì)算軟件的開發(fā)?；贑#和MATLAB的混合編程步驟如圖8所示。

3.2 纖維過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)重建及其性能計(jì)算軟件結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)分為過(guò)濾介質(zhì)三維結(jié)構(gòu)重建、過(guò)濾介質(zhì)參數(shù)提取和過(guò)濾性能計(jì)算3大模塊。過(guò)濾介質(zhì)三維結(jié)構(gòu)重建模塊通過(guò)讀取過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)的SEM圖片，經(jīng)過(guò)圖像處理重建過(guò)濾介質(zhì)微觀三維結(jié)構(gòu)；過(guò)濾介質(zhì)參數(shù)提取模塊可得到過(guò)濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)即填充密度和平均直徑，以及孔隙面積統(tǒng)計(jì)圖和纖維直徑統(tǒng)計(jì)圖；過(guò)濾性能計(jì)算模塊通過(guò)輸入過(guò)濾過(guò)程的環(huán)境及顆粒參數(shù)可得到過(guò)濾介質(zhì)的壓力損失與過(guò)濾效率曲線。

根據(jù)3大模塊，可以很方便地進(jìn)行過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的性能計(jì)算。用戶通過(guò)基于C#開發(fā)的界面導(dǎo)入SEM圖并輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)，由結(jié)果通過(guò)C#程序界面輸出。纖維過(guò)濾介質(zhì)性能計(jì)算軟件的可視化界面如圖9所示，其左邊為參數(shù)輸入，右邊為結(jié)果輸出。

4 結(jié) 論

利用MATLAB和Visual C#混合編程可開發(fā)纖維過(guò)濾介質(zhì)性能計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)對(duì)纖維過(guò)濾介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)重建，重建纖維的空間分布與實(shí)際情況基本一致，表明重建過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)具有很好的關(guān)聯(lián)性；

2)提取纖維過(guò)濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)信息，如：填充密度、平均直徑，可利用經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其壓降和過(guò)濾效率；

3)該軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、便捷。

[1]周歡,李從舉.過(guò)濾粉塵用紡織材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2011,244(1):1-6.

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責(zé)任編輯：丁吉海

Performance Calculation and Software Development for the Fibrous Media with Visual C#and MATLAB

YANG Honga,ZHAO Pengb,YU Shaolongb,WANG Fanc,QIAN Fupingb
(a.School of Energy and Environment;b.School of Civil Engineering andArchitecture;c.School of Computer Science and Technology,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243000,China)

A performance calculation software of the fibrous Amedia based on the mixed programming of Visual C#and MATLAB was developed,which can reconstruct the 3D model of the fibrous media and calculate its filtration performance.Firstly,2D image of the microstructure was obtained by Scanning Electron Microscope(SEM), and the geometrical parameters of fibrous media are extracted,3D structure was reconstructed with parameters of diameter and direction,and the pressure drop and efficiency of the fibrous media was calculated with classical empirical correlation.The software was developed by using Visual Studio 2010 as the development platform,Visual C#as the development language,calling MATLAB program based on the dll document.Compared with methods of numerical simulation or experimental method,it is simple and convenient to calculate the filtration performance of the fibrous media by this software.

Visual C#and MATLAB;fibrous media;performance calculation;software development

X701.2

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.02.016

發(fā)稿日期:2014-06-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51076001);安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目(1301042113);安徽工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目(2013034)

楊洪(1991-),女,安徽廬江人,碩士生,研究方向?yàn)榇髿馕廴疚锟刂婆c防治。

錢付平(1974-),男,安徽樅陽(yáng)人,博士,教授,研究方向?yàn)闅?固兩相流動(dòng)及大氣污染物控制與防治。

1671-7872(2015)-02-0175-06