考慮滲流邊界和顆粒沉積的微濾過程模擬及強化.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行時間大幅下降，過程能耗、維護和操作費用增加，嚴重阻礙微濾技術(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、濾餅形成機理，采用湍流促進器強化流場，并對其結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和條件優(yōu)化，是強化微濾過程、實現(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、過程中通量衰減機制時，未能同時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、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。因此，本論文圍繞目前微濾強化過程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化兩種微濾膜過程分別進行數(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，分析微濾過程強化傳質(zhì)機理，提出新的預(yù)測、評判流場強化程度的指標。
　　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)了可同時計算瞬時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數(shù)(volfrac)計算方法，實現(xiàn)底層網(wǎng)格上顆粒層平均高度的計算，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，通過對滲透通量計算公式中的關(guān)鍵參數(shù)濾餅厚度的實時計算，最終實現(xiàn)了隨濾餅阻力變化的滲透通量的計算。滲透通量模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相對誤差小于15％，證明了本論文開發(fā)的particleFoam模塊在模擬實際微濾過程膜污染現(xiàn)象時是有效和可靠的。
　　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力場對顆粒沉積運動影響，利用伯努利隨機函數(shù)，將膜表面上顆粒受力后的法向速度ur隨機化，以隨機化的ur與純水時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、進口速度和料液濃度三個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、顆粒運動的隨機函數(shù)建立的沉積判定模型，其滲透通量模擬結(jié)果與實際工況吻合度較高，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現(xiàn)更接近真實工況的動態(tài)、詳細的濾餅分布形貌，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和切向錯流速度uc之間的沉積判定，來

7、簡化表示滲流曳力和錯流曳力對顆粒沉積的競爭作用結(jié)果，實現(xiàn)在湍流強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)化目標對微濾過程進行模擬設(shè)計，揭示了擾流擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同操作條件下對強化過程的影響: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)測值與文獻中實驗結(jié)果誤差小

8、于10％。該模型實現(xiàn)了微濾強化過程的快捷預(yù)測及準確設(shè)計，并獲得了實驗難以直觀監(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)對微濾過程強化的作用機制，引入流場旋渦強度，選用旋渦渦核判據(jù)Q作為湍流場渦結(jié)構(gòu)的識別方法，解決了單一壁面剪切力或湍動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可顯著增強旋渦強度，當β從0.28提高到0.64后，最大平均Q值提高332％，強化效果明顯;擾流擋板間距L/D的變化