逆电渗析异形膜通道内流动与传质特性研究

摘要

逆电渗析（RED）是基于膜的将溶液的盐差能转换成电能的技术。在RED电堆中，一般采用不传导离子的聚合物隔网对相邻的离子交换膜进行分隔，由此形成供溶液流动的通道。隔网的存在虽然可以增强溶液的掺混从而减小浓差极化，但也会带来一些问题：不传导离子的隔网直接覆盖在膜的表面，减少膜的有效面积；同时，使通道内离子的移动路径变得曲折，导致电堆的欧姆内阻增加。 如果使用异形膜来替代传统的光滑膜与隔网的组合，则有可能解决这些由使用隔网带来的问题。此时，异形膜表面上微结构的几何特性对RED通道内的传质与压降会有重要的影响。在现有的异形膜表面结构中，有的对流体扰动较差，有的会导致较大的流动阻力，有的则会带来制造和装配上的困难。还没有综合性能令人满意的异形膜结构。因此，有必要继续寻找新型异形膜结构并对其流动与传质性能的影响进行研究。 本文提出了一种新的异形膜微结构：单面直脊V形结构，并采用ANSYS CFX软件对该异形膜通道内的流动与传质进行了三维数值模拟。首先对网格的无关性进行了分析，并对数值模型的准确性进行了验证。接着研究了几何参数与Re数对V形异形膜通道内的流动及传质性能的影响。 模拟计算结果表明，V形微结构可在其下游诱发产生漩涡，从而对流体进行扰动，促进流体混合。在V形微结构的位置处，垂直于壁面的速度分量增加，导致较大的壁面剪应力以及较好的质量传递。随着雷诺数的增加，V形结构对流体的掺混作用增强，因此传质得到较大提高、浓度分布的均匀性增加，浓差极化减小，但与此同时，泵功消耗也将增加。随着V形结构高度的增加，V形结构处通道的截面积减小，垂直于主流方向的速度分量增加，这会对壁面产生较大的冲刷力度，从而增大壁面剪应力，强化传质。随着V形微结构节距的减小，其对溶液的扰动作用将增强，因此传质也会增强，浓度分布变得更均匀，浓差极化会减弱，但流动阻力也将增大。随着V形结构夹角的变大，功率数将增加，传质将变弱，浓度分布的均匀性也将变差，但总的说来，V形结构夹角对流动和传质的影响是比较小的。 总结V形结构几何参数的影响可以得出，通过减小V形结构的节距，适当增加V形结构的高度，减少V形结构的夹角，以及增加雷诺数，可在较低的流动阻力下得到较好的传质效果。在本文中最优的V形微结构几何参数是：V形结构的节距为通道高度的2倍，V形结构夹角为60°，V形结构高度为150μm。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 存在的问题及本文研究的内容

1.3.1 存在的问题

1.3.2 本文研究的内容

2 异形膜流动通道内的计算模型

2.1 CFD简介

2.1.1 CFD的工作过程

2.1.2 ANSYS CFX软件简介

2.2 物理问题

2.2.1 物理模型

2.2.2 网格划分

2.3 数学模型

2.3.1 计算域

2.3.2 控制方程

2.3.3 参数定义

2.3.4 边界条件

2.3.5 求解方程组

2.4 网格无关性验证分析

2.5 数值模型验证

2.6 单元体模型选定原因与研究可行性分析

2.6.1 单V形与多重V形异形膜通道性能比较

2.6.2 现有不同异形膜通道的性能比较

2.7 本章小结

3 通道中的流动特性分析

3.1 通道中的溶液流动

3.2 雷诺数的影响

3.2.1 雷诺数对流动的影响

3.2.2 雷诺数对壁面剪切力的影响

3.2.3 雷诺数对功耗的影响

3.3 V形微结构夹角的影响

3.3.1 V形微结构夹角对流动的影响

3.3.2 V形微结构夹角对壁面剪切力的影响

3.3.3 V形微结构夹角对泵功耗的影响

3.4 V形微结构间距的影响

3.4.1 V形微结构间距对流动的影响

3.4.2 V形微结构间距对壁面剪切力的影响

3.4.3 V形微结构间距对泵功耗的影响

3.5 V形微结构高度的影响

3.5.1 V形微结构高度对流动的影响

3.5.2 V形微结构高度对壁面剪切力的影响

3.5.3 V形微结构高度对泵功耗的影响

3.6 本章小结

4 通道中质量传递特性分析

4.1 通道中的浓度分布及质量传递

4.1.1 通道中的浓度分布

4.1.2 通道中的质量传递

4.2 雷诺数的影响

4.2.1 雷诺数对浓度分布的影响

4.2.2 雷诺数对质量传递的影响

4.3 V形微结构夹角的影响

4.3.1 V形微结构夹角对浓度分布的影响

4.3.2 V形微结构夹角对质量传递的影响

4.4 V形微结构间距的影响

4.4.1 V形微结构间距对浓度分布的影响

4.4.2 V形微结构间距对质量传递的影响

4.5 V形微结构高度的影响

4.5.1 V形微结构高度对浓度分布的影响

4.5.2 V形微结构高度对质量传递的影响

4.6 本章小结

5 通道增强传质的综合性能分析

5.1 综合性能对比分析

5.2 本章小结

结论

参考文献

致谢

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