生物气溶胶传播、持续的环境破坏和空气污染,让生命健康与空气质量再次引起广泛的关注,也推动着空气过滤技术的应用和发展。纤维滤材是空滤技术的关键,滤材内纤维相互搭接、缠绕构成纤维网络的同时,形成了相互连通的扭曲孔道。滤材的这一特性,使其能让空气有效通过的同时,捕获空气中包含的污染物。然而基于通量实验优化滤材的方法已经无法快速应对社会、工业对高性能滤材的需求,为了提高新型滤材的开发和生产能力,迫切地需要纤维滤材结构设计和过滤性能的模拟研究,从而提出更可靠的过滤解决方案。本文首先从纤维滤材的微观结构分析开始,结合纤维分析仪、SEM、XCT等表征手段提取了湿法滤材常用纤维在成型滤材中的形态参数,建立了相应的随机参数模型,使用Geo Dict软件求解Navier-Stokes或Stokes方程,模拟了滤材模型的透气性能,并与基于CT模型的模拟结果和实测值对比,初步探索了纤维模型数据库的建立。在随后的章节中,基于纤维模型,建立了含有三种植物纤维和PET纤维的单层滤材模型。考虑颗粒惯性、流体曳力、布朗运动、颗粒与纤维间的粘附力和颗粒在纤维表面的弹性碰撞,模拟了滤材对0.26μm Na Cl颗粒的初始过滤效率,并与TSI 8130测试结果对比,进一步验证基于纤维模型来设计滤材配方、微观结构,优化宏观过滤性能的可行性。针对含有多尺度纤维的多层结构滤材,首次结合FIB-SEM和XCT重建了静电纺丝复合双层滤材。其中,XCT用于重构含有微米级纤维的基材,基于FIB-SEM获取的纳米纤维层的表面、截面图像建立相应的结构模型。考虑纳米纤维表面的滑移效应,模拟了滤材对10 nm～1000 nm颗粒的初始过滤效率,并与自主搭建的单分散颗粒过滤效率测试台的实测值对比。针对纤维滤材的容尘性能优化,本文在第三、四章的颗粒传输模型基础上,“实时”计算并更新容尘过程中滤材内的颗粒堆积结构和流场,分别模拟了单纤维和完整滤材模型的压差、过滤效率、颗粒堆积结构随容尘量的变化。对于单纤维,本文分别研究了应用工况、纤维截面形状和填充率对颗粒在纤维表面堆积生长行为的影响。对于纤维滤材,本文则设计了不同厚度、固含量、纤维取向以及孔径沿厚度方向连续或分层变化的结构模型,系统地研究了微观结构对滤材宏观容尘性能的影响。本文的研究表明:（1）用弯曲的椭圆柱模型可以较好描述植物纤维的形态、尺寸。对于单一纤维组分的滤材,纤维在x、y方向的取向因子接近,纤维在z向的取向因子t33小于0.2,且纤维复配对滤材内纤维取向影响较小。滤材的随机参数模型与CT模型或实验测试结果吻合较好,透气度的误差均在10%以内。（2）基于纤维模型建立的多种纤维混杂单层模型,其透气性和对0.26μm Na Cl颗粒的初始过滤效率的模拟结果与测试值吻合较好。（3）对于静电纺丝复合双层滤材,基材的CT模型的平均固含量、透气度常数以及包含的PET纤维直径分别为26.10%、1.57e-11 m~2和11.09μm,与测试值吻合较好;#1、#2和#3滤材的NFM层厚度分别为3.82μm、6.42μm和7.90μm,固含量分别为4.10%,6.25%和7.00%。对单分散粒径为70～400 nm（包含最易穿透粒径100～200nm）的Na Cl颗粒的初始过滤效率模拟结果与实测值吻合较好。（4）颗粒在单纤维表面的堆积生长行为:a.随着颗粒入流速度的增大,惯性效应影响增强,压差随容尘量增长速度加快,而当入流速度的增大使惯性效应占主导时,单纤维的容尘量反而增加。b.当颗粒粒径增大时,压差-容尘量增长曲线变得平缓,颗粒堆积结构变得蓬松开放。颗粒密度主要影响惯性效应对颗粒的捕集。c.当纤维主要以拦截效应捕集颗粒时,颗粒趋向于在异形纤维迎风面的两侧顶点附近堆积。四叶形和三叶形纤维Ros3-1可以提升单纤维的过滤效率,但纤维模型的压差增长速率增大,容尘量降低。（5）纤维滤材的容尘性能:a.滤材的容尘量随厚度的增大而增大,但初始压力也同时增大。当终止压差固定时,容尘量随着厚度的增加反而减小。b.纤维间夹角为30°的滤材容尘量较纤维在水平方向各向同性排列的滤材提高约13.67%。随着纤维取向厚度方向的程度不断减小,滤材的初始压差增大,容尘量减小。c.细纤维在滤材厚度方向的分布对滤材过滤效率的影响较小。深度型滤材上部分的结构越开放,深度过滤阶段的压差随容尘量的增长曲线越平缓,进入到滤材内部的颗粒越多,滤材孔隙空间的利用率越高。而滤饼过滤阶段,不同滤材的压差随容尘量增长速率差别不大。