酶膜反应器流场特性的三维数值模拟与叶片优化研究

摘要

新世纪以来，膜过滤技术在污水处理、生物过滤、海水淡化等工业分离过程中广泛应用。众所周知，膜污染现象会显著降低膜通量、缩短膜寿命，严重影响膜过滤系统的使用成本和运行效率。大量研究表明，利用旋转部件改变反应器内部流场特性，增加膜面剪切力可以显著控制膜污染的发展。该类动态过滤技术(Dynamic filtration)因其易操作低成本的特点而广受关注。
　　本文着眼于常见的磁搅拌式酶膜反应器(Amicon8050，Millipore)，利用计算流体力学建模方法，首先对叶片旋转激励下反应器内单相流流场特性展开模拟与分析，并研究了转速对流场特性的影响。由于该反应器具有边界曲率大、旋转流动速度高等特点，本研究采用多重旋转坐标系(Multiple Reference Frame)，运用多孔介质模型模拟薄膜过滤特性，并基于RNG k-ε湍流模型对叶片搅拌旋流展开三维数值建模。与实验结果的对比表明，本文的数值模型有较好地准确度和可靠性。然后膜污染行为涉及到污染物运输、对流、扩散、沉积及复杂的相间相互作用，是一个复杂的两相流问题。因而本文在单相流的基础上运用Eulerian“双流体”模型对反应器内污染物的传播扩散过程及膜污染行为进行了探讨。最后本文从速度分布、剪切力大小与均匀度等角度出发，基于单相流对该类反应器叶片形状展开优化研究。文中总共研究了文中总共研究了三组不同形式或形状叶片（直棱型叶片、“T型”叶片、“倒T型”叶片），并进行了对比分析。
　　单相流模拟结果表明，由于搅拌作用反应器内存在较明显的循环流动，这直接影响污染物的传播扩散过程。叶片旋转作用引起膜表面涡旋生成，漩涡强度和分布与旋转速度密切相关。膜面速度、剪切力等随叶片旋转速度增加而不断增大，但其分布不均匀，膜中心部位的低速、低剪切区域能显著降低膜的面积利用率。提高转速既能扩大循环流区域又能增强膜面剪切力强度有利于膜污染的控制，但无法改善其分布均匀性。两相流模拟结果表明，反应器内污染物分布浓度由大至小大致可分为三个区域，且靠近膜表面区域浓度最低。提高转速能加速污染物的传播扩散过程并明显降低膜表面污染程度。叶片结构优化表明，“T型”叶片既能获得较强的剪切力强度同时又能取得较好的均匀性，而“倒T型”叶片效果较差。条件允许下适当增加“T型”叶片帽檐宽度能显著增强剪切力同时改善其分布均匀性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 膜技术发展历史及现状

1．1．2 膜反应器发展历史及现状

1．2 动态过滤技术的应用及研究现状

1．2．1 动态过滤技术的应用现状

1．2．2 转盘动态过滤系统内流场特性的理论及数值研究

1．2．3 膜污染机理研究现状

1．3 本文研究目的与内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

第2章 理论分析与数值建模

2．1 引言

2．2 控制方程的建立

2．2．1 两相流模型

2．2．2 液-固相间作用

2．2．3 湍流模型

2．2 控制方程的离散及其解法

2．2．1 有限体积法

2．2．2 离散格式

2．2．3 数值解法

2．2．4 边界处理

2．3 数值实施

2．4 模型验证

2．5 本章小结

第3章 单相流模拟与讨论

3．1 引言

3．2 单相流模拟结果与讨论

3．2．1 速度场

3．2．2 湍动能分布

3．2．3 膜表面剪切力分布

3．2．4 转速的影响

3．3 本章小结

第4章 两相流模拟与讨论

4．1 引言

4．2 两相流模拟结果与讨论

4．2．1 污染物传播及对流扩散过程

4．2．2 膜污染行为过程

4．2．3 转速的影响

4．3 本章小结

第5章 叶片构型研究及其优化

5．1 引言

5．2 叶片形状结构流场特性对比

5．3 各叶片构型下的参数研究

5．3．1 “T型”叶片帽檐宽度的影响

5．3．2 “倒T型”叶片帽檐宽度的影响

5．4 剪切力数值优化结果

5．5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)