随着我国工业生产和交通行业的飞速发展,细颗粒物（PM2.5）污染问题日趋严重,对人体健康、大气环境和工业生产危害甚大。纤维过滤是目前最广泛应用于去除PM2.5的空气过滤技术,被广泛应用于各种住宅、医药和工业空调系统的室内空气净化以及个人防护（如N95/N99口罩）。如何提高细颗粒物的过滤性能,降低其对人体健康和工业生产的不利影响,是研究纤维过滤的关键。本文从微观、介观和宏观尺度出发研究了异形单纤维、纳米单纤维、梯度分布纤维滤料、纳米/微米复合纤维滤料及褶式纤维滤芯多机理综合过滤性能,为细致理解气溶胶粒子高效清除机理和发展高效节能的PM2.5清除净化技术提供理论参考。基于Euler-Lagrange法求解方形、椭圆形和新型月牙形截面纤维对0.1-2.5μm粒子的多机理耦合捕集行为。结果指出椭圆形纤维质量因子与迎风角θ、长短轴之比ε及填充率C密切相关,对于亚微米粒子（0.1-1μm）,当θ=15°和30°时椭圆形纤维质量因子高于圆纤维;而对于2.5μm大粒子,椭圆形纤维质量因子与圆纤维相当或略低。当无量纲缝隙宽度δ取0.2-0.4时,月牙形纤维质量因子均高于圆形纤维。引入平均捕集效率和平均质量因子对比评估中等填充率下（C=0.05）不同截面形状纤维过滤性能。三种异形纤维平均捕集效率和平均质量因子均高于传统圆形纤维。对扩散效应较强的小粒子,椭圆形纤维平均捕集效率高于方形和月牙形纤维,而椭圆形纤维平均质量因子与月牙形相当而高于方形纤维。对以惯性和拦截为主要捕集机理的亚微米和微米粒子,方形纤维平均捕集效率高于月牙形和椭圆形纤维,而月牙形纤维平均质量因子高于方形和椭圆形纤维。采用数值方法模拟滑移效应下纳米纤维对布朗粒子及惯性粒子多机理捕集过程。纤维表面流体的滑移效应导致纤维绕流场与无滑移流动情形有显著差异,纤维表面滑移速度随Knudsen数增大而增大（纤维前后驻点处除外）。基于纤维绕流流场数值解,给出了适用于滑移效应下纤维过滤阻力系数的估计公式。对于以扩散和拦截为主导机理的粒子捕集情形,采用扩散效率和拦截效率线性叠加求单纤维总效率的方式普遍低估了单纤维效率,尤其对于小Peclet数大拦截参数过滤情形。而以惯性碰撞和拦截为主导机理捕集区,惯性效率和拦截效率线性叠加效率依然普遍低估了单纤维效率,尤其对于小Stoke数过滤情形。基于数值求解结果,分别给出了适用于滑移效应下单纤维扩散与拦截耦合捕集效率及惯性与拦截耦合捕集效率估计式。基于矩量法对沿流动方向3种不同填充率分布（均匀、线性和指数分布）的纤维滤料（即梯度纤维滤料）内爱根核模和积聚模粒子输运和沉积特性进行研究。均匀分布纤维滤料内2种模态粒子沉积质量分布沿气流方向逐渐降低,且爱根核模粒子沉积质量分布不均匀度高于积聚模态粒子。通过优化梯度纤维滤料的结构参数（填充率分布比）可基本实现气溶胶粒子在纤维滤料内部均匀沉积,且指数分布纤维滤料略优于线性分布纤维滤料,但优势不明显。在前文给出的纳米纤维耦合效率预测模型基础上,采用矩量法对纳米/微米复合纤维滤料过滤多分散系粒子性能进行计算,结果表明复合纤维对约0.1μm以下纳米粒子过滤质量因子低于微米纤维;而对于0.1μm以上亚微米粒子,复合纤维质量因子高于微米纤维。复合纤维对爱根核模粒子过滤质量因子随覆膜纳米纤维直径增大而增大,随覆膜纳米层填充率和厚度增大而减小。对于积聚模粒子过滤情形,覆膜纳米层厚度、填充率和纤维直径都需要控制在一个合理范围以增强复合纤维综合过滤性能。如当覆膜纳米纤维尺寸较小（0.1-0.3μm）时,应适当降低覆膜纳米层填充率和厚度;而当覆膜纳米纤维尺寸较大时（≥0.5μm）,则反之。爱根核模和积聚模粒子经复合纤维过滤后,粒子平均直径分别增大和减小,粒径分布几何标准偏差均减小,且残余粒子粒径分布仍服从对数正态分布。同样基于前文建立的纳米纤维耦合效率预测模型,采用Euler-Euler双流体模型数值分析了常规褶式微米纤维滤芯和褶式纳米/微米复合纤维滤芯对0.1-1μm范围粒子过滤性能。不同褶数时,两类褶式滤芯质量因子整体上随纤维滤料渗透率降低（填充率增高或纳米纤维直径减小）略有增高,仅当褶数较小时例外。当褶数小于8~12褶/in时,增加褶高对改善褶式滤芯综合过滤性能有利。常规褶式微米纤维滤芯和褶式复合纤维滤芯质量因子随着褶数的增加先增大后减小,存在最优褶数点使质量因子最大化。褶式复合纤维滤芯最优质量因子随褶高增大和覆膜纳米纤维直径减小而增高;相同参数下,V型褶式复合纤维滤芯质量因子略高于U型褶式复合纤维滤芯,且两者综合过滤性能远胜于常规褶式微米纤维滤芯。两类褶式滤芯基于质量因子最优褶数相比基于压降最优褶数普遍高约1~2褶/in。从常压和低压两个角度对6种商业纤维滤料过滤压降特性进行实验研究,分析了过滤风速、绝对压力和Knudsen数对过滤压降、单位长度纤维过滤阻力及纤维无量纲阻力系数的影响。基于两种代表商业纤维滤料SEM图像、填充率和纤维直径分布,结合VBA和Auto CAD重建三维虚拟纤维介质,采用本文壁面滑移数值模型求解重建的三维虚拟纤维介质绕流场,过滤压降数值结果与实验数据较为吻合,表明本文纤维表面滑移数值模型准确可靠。本文实验结果与文献中常见过滤阻力系数模型对比结果表明,无滑移流动下（常压测试）,Davies经验模型及Jackson和James理论模型与本文实验数据较为吻合,而Happel和Kuwabara理论模型在一定程度上高估了纤维滤料过滤阻力。滑移流动下（低压测试）,Kirsch模型和Ogorodnikov模型与本文实验结果较为接近,但对于高Knudsen数情形,两者分别略微低估和高估了纤维无量纲阻力系数。Shou模型和Pich模型在一定程度上高估了纤维无量纲阻力系数,尤其对于高Knudsen数情形。未考虑滑移效应的Davies经验公式仅适用于弱滑移效应（小Knudsen数）时纤维无量纲阻力系数预测。