考慮滲流邊界和顆粒沉積的微濾過程模擬及強(qiáng)化.pdf

1、微濾作為應(yīng)用最廣的液體膜分離技術(shù)，在純水制備、工業(yè)廢水處理、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，膜污染現(xiàn)象使得微濾過程的膜滲透通量隨運(yùn)行時(shí)間大幅下降，過程能耗、維護(hù)和操作費(fèi)用增加，嚴(yán)重阻礙微濾技術(shù)的推廣應(yīng)用。為抑制膜污染、提高膜滲透通量，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法揭示微濾過程的膜污染顆粒沉積、濾餅形成機(jī)理，采用湍流促進(jìn)器強(qiáng)化流場，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和條件優(yōu)化，是強(qiáng)化微濾過程、實(shí)現(xiàn)高效應(yīng)用的主要研究途徑。但是，現(xiàn)階段數(shù)值模擬研究微濾

2、過程中通量衰減機(jī)制時(shí)，未能同時(shí)考慮滲流邊界條件和濾餅形成過程的綜合影響，建立的模型難以準(zhǔn)確預(yù)測滲透通量和濾餅沉積。此外，常用軟件中缺乏模擬懸浮顆粒流在多孔微濾膜表面流動(dòng)、沉積生長過程的模塊，不能直接用于微濾過程的模擬和設(shè)計(jì)。因此，本論文圍繞目前微濾強(qiáng)化過程CFD研究中存在的問題，自主開發(fā)了考慮滲流邊界和顆粒沉積的三維數(shù)值模塊particleFoam，針對圓管和擾流擋板強(qiáng)化兩種微濾膜過程分別進(jìn)行數(shù)值模擬，成功預(yù)測了不同操作條件和擋板結(jié)構(gòu)參

3、數(shù)下的滲透通量和濾餅厚度分布，分析微濾過程強(qiáng)化傳質(zhì)機(jī)理，提出新的預(yù)測、評判流場強(qiáng)化程度的指標(biāo)。
　　首先，構(gòu)建了懸浮料液在微濾膜表面沉積生長的模型，并開發(fā)了可同時(shí)計(jì)算瞬時(shí)不可壓縮流和懸浮顆粒流的三維數(shù)值模塊particleFoam，提出了顆粒在壁面沉積的體積分?jǐn)?shù)(volfrac)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)格上顆粒層平均高度的計(jì)算，解決了懸浮顆粒在膜表面粘附并形成過濾阻力過程的數(shù)值模擬問題。建立的particleFoam模塊采用groov

4、yBC壁面邊界條件類型，并與volfrac方法相結(jié)合，通過對滲透通量計(jì)算公式中的關(guān)鍵參數(shù)濾餅厚度的實(shí)時(shí)計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)了隨濾餅阻力變化的滲透通量的計(jì)算。滲透通量模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對誤差小于15％，證明了本論文開發(fā)的particleFoam模塊在模擬實(shí)際微濾過程膜污染現(xiàn)象時(shí)是有效和可靠的。
　　針對圓管微濾膜提出兩種顆粒在膜表面的沉積模型:首先是顆粒接觸膜表面即被判定為粘附的全粘理想模型;其次是能準(zhǔn)確預(yù)測圓管微濾膜中懸浮顆粒在膜表面

5、的粘附過程的沉積判定模型，該模型考慮了滲流邊界層附近隨機(jī)力場對顆粒沉積運(yùn)動(dòng)影響，利用伯努利隨機(jī)函數(shù)，將膜表面上顆粒受力后的法向速度ur隨機(jī)化，以隨機(jī)化的ur與純水時(shí)壁面最大法向滲流速度umax的比值作為顆粒在膜表面沉積行為的判據(jù)。通過考察兩種模型中跨膜壓力、進(jìn)口速度和料液濃度三個(gè)因素對滲透通量和濾餅沉積的影響，發(fā)現(xiàn)引入用于描述湍流、顆粒運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)函數(shù)建立的沉積判定模型，其滲透通量模擬結(jié)果與實(shí)際工況吻合度較高，數(shù)值誤差由全粘理想模型的40

6、％降低至20％左右，濾餅平均厚度相對誤差小于15％。研究表明，沉積判定模型可以實(shí)現(xiàn)更接近真實(shí)工況的動(dòng)態(tài)、詳細(xì)的濾餅分布形貌，并有效預(yù)測相應(yīng)的滲透通量變化過程。
　　擾流擋板的植入使膜管滲流邊界處顆粒的切向速度顯著增加，其受力分布更為復(fù)雜，單一的u r/max判據(jù)不再適用于顆粒沉積的模擬預(yù)測。因此，針對圓管中加入擾流擋板強(qiáng)化微濾過程，結(jié)合顆粒所受的曳力與速度的線性關(guān)系，提出基于顆粒法向滲透速度uf和切向錯(cuò)流速度uc之間的沉積判定，來

7、簡化表示滲流曳力和錯(cuò)流曳力對顆粒沉積的競爭作用結(jié)果，實(shí)現(xiàn)在湍流強(qiáng)化的微濾過程中顆粒沉積的模擬和判定。以滲透通量、濾餅厚度等為優(yōu)化目標(biāo)對微濾過程進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，揭示了擾流擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同操作條件下對強(qiáng)化過程的影響:擾流擋板收縮率β值越大，滲透通量越高;優(yōu)化擾流擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)后(β=0.64，L/D=1.5)，過濾傳質(zhì)阻力降低，濾餅層的平均厚度從圓管的0.318mm減薄到0.026mm，滲透通量也隨之提高約60％，預(yù)測值與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小

8、于10％。該模型實(shí)現(xiàn)了微濾強(qiáng)化過程的快捷預(yù)測及準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，并獲得了實(shí)驗(yàn)難以直觀監(jiān)測的濾餅沉積分布數(shù)據(jù)。
　　為了揭示流場旋渦結(jié)構(gòu)對微濾過程強(qiáng)化的作用機(jī)制，引入流場旋渦強(qiáng)度，選用旋渦渦核判據(jù)Q作為湍流場渦結(jié)構(gòu)的識(shí)別方法，解決了單一壁面剪切力或湍動(dòng)能難以解釋湍流度近似情況下濾餅沉積和滲透通量差異的關(guān)鍵問題。擾流擋板收縮率β可顯著增強(qiáng)旋渦強(qiáng)度，當(dāng)β從0.28提高到0.64后，最大平均Q值提高332％，強(qiáng)化效果明顯;擾流擋板間距L/D的變化