在冶金、化工、能源、建筑环境等领域,纤维过滤设备（布袋除尘器、滤筒除尘器、空气过滤器）作为一种经济有效的气-固分离设备,已被广泛应用于颗粒物的排放控制与室内环境中的细颗粒物净化。国内外研究者分别在微观尺度层面（纤维滤料微观结构）和宏观尺度层面（纤维过滤设备）对纤维过滤技术进行了较为深入的研究。但目前纤维过滤介质微观结构的三维重建方法仍处于发展阶段,故严重限制了其过滤性能的研究。同时,纤维过滤设备的结构涉及的尺度跨度巨大,目前缺少有效的尺度之间数据传递机制,能够将微观尺度下和宏观尺度下的气-固两相流动关联起来。因此,本文基于实验和数值模拟的手段,深入研究纤维过滤介质三维重建及其含尘阶段过滤性能与跨尺度模拟方法。在微观尺度层面,采用Voronoi算法构建具有可控结构参数（纤维直径、填充密度）的纤维过滤介质微观尺度模型。采用数值模拟和半解析模型分析的方法对比研究了不同结构和操作参数下Voronoi-based结构纤维过滤介质的过滤性能,并采用文献中的相关实验数据验证了数值模拟结果的准确性。在此基础上,基于跨尺度模拟的方法,建立了有效的尺度之间数据传递机制,将微观尺度下的流动和宏观尺度下的流动关联了起来,并且对CFD多孔介质模型进行二次开发,从而构建了容尘阶段纤维过滤介质压力损失计算模型（宏观尺度模型）。同时,将过滤器容尘阶段压力损失-容尘量的实验测试数据与宏观尺度模型的模拟结果进行对比,验证宏观尺度模型的准确性。结果表明:1、与分层结构模型相比,Voronoi结构模型的建模过程是基于在三维空间中创建点和线所构造的空间拓扑信息,其能够很好的表征纤维-纤维的交叉以及层-层之间的渗透特性。此外,在重建模型中采用球冠连接的方式计算纤维贯穿处的体积,能够获得较为准确的填充密度。2、考虑层间连接的Voronoi结构模型的流场受内部结构影响较大。其压力损失的数值模拟结果比层状结构大,与实验值的偏差基本在15%以内。同时,基于数值模拟结果拟合出一种新的纤维过滤介质（SVF=5%-25%、df=15-25μm）无因次压力损失关联式,可以为宏观尺度模型研究纤维过滤介质容尘阶段的压力损失提供清洁状态下的渗透率。3、针对亚微米颗粒,采用Stokes-Cunningham曳力定律并结合Saffman升力和布朗力可以准确预测扩散和惯性共同作用下的颗粒捕集。随着Pe和SVF的增加,数值模拟结果与半解析模型计算值之间的偏差增大。针对微米颗粒,采用Spherical曳力定律并考虑重力作用时,过滤效率的半解析模型计算值普遍高于数值模拟结果。此外,存在一个Stk的阈值,当Stk大于该阈值时,数值模拟结果与半解析模型计算值的偏差较小。4、将纤维过滤介质微观尺度模型清洁状态下的粘性阻力系数提供给CFD多孔介质模型作为初始参数。同时,基于欧拉-拉格朗日法并利用ANSYS-Fluent中的用户自定义函数（UDF）对其进行二次开发,从而实现了多孔介质区域对颗粒的捕集与负载以及压力损失随粉尘负荷的动态变化。5、通过控制多孔介质网格单元孔隙率阈值的方式,开发了不同捕集机制的程序,实现了颗粒在多孔介质中沿厚度方向不同的分布形式。对于相同填充密度的宏观尺度模型,随着阈值的提高,压力损失的增长率降低。对于标定后的不同填充密度的宏观尺度模型,其数值模拟结果与经验模型计算值的偏差均小于20%。6、依据空气过滤器性能检测标准（EN779:2012）搭建空气过滤器性能测试的实验台。将592*592*292-4V-F9型过滤器压力损失-容尘量的实验测试数据与宏观尺度模型的模拟结果相对比,偏差基本在30%以内。故本文提出的宏观尺度模型拓宽了容尘阶段纤维过滤介质压力损失计算的研究途径。此外,跨尺度模拟方法可以为相应的气-固两相流模拟提供技术指导。