反电渗析流道内的流动与传质特性的数值研究

摘要

反电渗析（reverse electrodialysis，RED）是一种将盐差能转化为电能的技术。以离子交换膜为核心部件的流动通道是RED的重要组成部分，通道的构成通常由非导电隔网分隔并控制相邻离子交换膜间距而形成，隔网的使用导致RED系统的欧姆电阻增加，同时也增加通道内的流动阻力。单面或双面带有凸起微结构的异形膜，通过其自身的微结构控制膜间距形成供溶液流动的通道，可克服使用隔网带来的问题。本文研究在RED系统中使用人字形波纹异形膜构成流动通道的流动与质量传递特性，探讨人字形异形膜在RED系统中的性能潜力。 对单侧RED稀溶液通道处在充分发展区域内的周期单元体进行三维数值模拟。对网格的无关性进行了分析，同时也对数值模型进行了验证。分析人字形波纹的夹角、间距以及雷诺数（Reynolds number,Re数）对流动和质量传递参数的影响。 模拟结果表明，人字形波纹促使溶液发生垂直于主流方向的横向偏移，形成较为复杂的流动，从而促进低速溶液的混合。溶液向膜表面的冲刷，导致通道表面的质量传递增强、局部壁面剪切力的值相对较大。增加Re数，波纹的扰动作用增强，将使通道表面的壁面剪切力增大，同时通道中的质量传递也将获得强化，但流动压降增加导致泵功增加。波纹夹角对质量传递的影响受到Re数和波纹间距的限制，但对通道的泵功耗影响很小。波纹夹角较小时，通道表面的壁面剪切力比较均匀，而且壁面剪切力的最大值随波纹夹角的增加而增加。低Re数范围内，减小波纹夹角可增强质量传递，但波纹夹角对增强质量传递的影响随波纹间距的增加而减弱。通道在高Re数时的流动情况复杂，导致波纹夹角对质量传递的影响关系也复杂。波纹对溶液的扰动只在波纹间距偏低时明显。减小波纹间距，通道表面上的局部壁面剪切力增大，流动压降增加导致泵功耗也增加，但对质量传递有促进作用。在本文研究的低Re数范围内，与使用隔网的通道相比，人字形波纹通道能以较低的泵功耗促进低速溶液的混合。

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