考虑渗流边界和颗粒沉积的微滤过程模拟及强化

摘要

微滤作为应用最广的液体膜分离技术，在纯水制备、工业废水处理、医药和食品等领域发挥着重要作用。然而，膜污染现象使得微滤过程的膜渗透通量随运行时间大幅下降，过程能耗、维护和操作费用增加，严重阻碍微滤技术的推广应用。为抑制膜污染、提高膜渗透通量，结合计算流体力学(CFD)方法揭示微滤过程的膜污染颗粒沉积、滤饼形成机理，采用湍流促进器强化流场，并对其结构进行设计和条件优化，是强化微滤过程、实现高效应用的主要研究途径。但是，现阶段数值模拟研究微滤过程中通量衰减机制时，未能同时考虑渗流边界条件和滤饼形成过程的综合影响，建立的模型难以准确预测渗透通量和滤饼沉积。此外，常用软件中缺乏模拟悬浮颗粒流在多孔微滤膜表面流动、沉积生长过程的模块，不能直接用于微滤过程的模拟和设计。因此，本论文围绕目前微滤强化过程CFD研究中存在的问题，自主开发了考虑渗流边界和颗粒沉积的三维数值模块particleFoam，针对圆管和扰流挡板强化两种微滤膜过程分别进行数值模拟，成功预测了不同操作条件和挡板结构参数下的渗透通量和滤饼厚度分布，分析微滤过程强化传质机理，提出新的预测、评判流场强化程度的指标。
　　首先，构建了悬浮料液在微滤膜表面沉积生长的模型，并开发了可同时计算瞬时不可压缩流和悬浮颗粒流的三维数值模块particleFoam，提出了颗粒在壁面沉积的体积分数(volfrac)计算方法，实现底层网格上颗粒层平均高度的计算，解决了悬浮颗粒在膜表面粘附并形成过滤阻力过程的数值模拟问题。建立的particleFoam模块采用groovyBC壁面边界条件类型，并与volfrac方法相结合，通过对渗透通量计算公式中的关键参数滤饼厚度的实时计算，最终实现了随滤饼阻力变化的渗透通量的计算。渗透通量模拟结果与实验结果相对误差小于15％，证明了本论文开发的particleFoam模块在模拟实际微滤过程膜污染现象时是有效和可靠的。
　　针对圆管微滤膜提出两种颗粒在膜表面的沉积模型:首先是颗粒接触膜表面即被判定为粘附的全粘理想模型;其次是能准确预测圆管微滤膜中悬浮颗粒在膜表面的粘附过程的沉积判定模型，该模型考虑了渗流边界层附近随机力场对颗粒沉积运动影响，利用伯努利随机函数，将膜表面上颗粒受力后的法向速度ur随机化，以随机化的ur与纯水时壁面最大法向渗流速度umax的比值作为颗粒在膜表面沉积行为的判据。通过考察两种模型中跨膜压力、进口速度和料液浓度三个因素对渗透通量和滤饼沉积的影响，发现引入用于描述湍流、颗粒运动的随机函数建立的沉积判定模型，其渗透通量模拟结果与实际工况吻合度较高，数值误差由全粘理想模型的40％降低至20％左右，滤饼平均厚度相对误差小于15％。研究表明，沉积判定模型可以实现更接近真实工况的动态、详细的滤饼分布形貌，并有效预测相应的渗透通量变化过程。
　　扰流挡板的植入使膜管渗流边界处颗粒的切向速度显著增加，其受力分布更为复杂，单一的u r/max判据不再适用于颗粒沉积的模拟预测。因此，针对圆管中加入扰流挡板强化微滤过程，结合颗粒所受的曳力与速度的线性关系，提出基于颗粒法向渗透速度uf和切向错流速度uc之间的沉积判定，来简化表示渗流曳力和错流曳力对颗粒沉积的竞争作用结果，实现在湍流强化的微滤过程中颗粒沉积的模拟和判定。以渗透通量、滤饼厚度等为优化目标对微滤过程进行模拟设计，揭示了扰流挡板结构参数在不同操作条件下对强化过程的影响:扰流挡板收缩率β值越大，渗透通量越高;优化扰流挡板结构参数后(β=0.64，L/D=1.5)，过滤传质阻力降低，滤饼层的平均厚度从圆管的0.318mm减薄到0.026mm，渗透通量也随之提高约60％，预测值与文献中实验结果误差小于10％。该模型实现了微滤强化过程的快捷预测及准确设计，并获得了实验难以直观监测的滤饼沉积分布数据。
　　为了揭示流场旋涡结构对微滤过程强化的作用机制，引入流场旋涡强度，选用旋涡涡核判据Q作为湍流场涡结构的识别方法，解决了单一壁面剪切力或湍动能难以解释湍流度近似情况下滤饼沉积和渗透通量差异的关键问题。扰流挡板收缩率β可显著增强旋涡强度，当β从0.28提高到0.64后，最大平均Q值提高332％，强化效果明显;扰流挡板间距L/D的变化对流场强化影响没有β显著，L/D值从3降到1后，最大平均Q值提高92％。Q等值面指标直观、可视化地区分了流场的湍流强度差异，可以准确评价圆管中湍流强化效果，揭示了流场旋涡结构差异导致的微滤过程强化机制，是筛选微滤过程最优操作条件的一种有效途径。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 微滤过程

1．1．1 微滤技术

1．1．2 微滤传质过程及模型

1．2 微滤膜污染控制及传质强化技术

1．2．1 微滤膜污染问题

1．2．2 湍流促进强化传质器的类型及其应用

1．2．3 湍流促进器的强化机理

1．2．4 管式微滤强化及相关领域的涡动力学分析

1．3 CFD在微滤传质过程及相关领域中的应用

1．3．1 CFD概述

1．3．2 CFD技术在膜分离过程中的研究进展

1．3．3 CFD技术在悬浮颗粒流中的研究进展

1．3．4 OpenFOAM简介及其在化工领域的应用

1．4 论文研究目的及主要内容

2 考虑渗流边界和颗粒沉积的圆管微滤过程数值建模

2．1 物理模型

2．1．1 管内湍流

2．1．2 悬浮颗粒运动

2．1．3 颗粒在壁面上的沉积

2．2 数值算法的建立

2．2．1 湍流大涡模拟方程的建立

2．2．2 悬浮颗粒运动方程与双向耦合模型

2．3 数值算法与求解器开发

2．3．1 方程离散与速度压力解耦

2．3．2 求解器开发

2．3．3 颗粒壁面沉积模型

2．3．4 渗流边界的实现

2．3．5 数值计算流程

2．4 并行集群、并行计算及其实现

2．5 模型验证

2．5．1 湍流大涡模拟流场结果验证

2．5．2 单个颗粒双向耦合计算结果

2．5．3 大规模悬浮颗粒运动结果验证

2．6 本章小结

3 管式微滤过程滤饼沉积的CFD研究

3．1 计算网格的划分

3．2 全粘理想模型的建立

3．2．1 流场和悬浮颗粒的初始条件设定

3．2．2 流场的边界条件设定

3．2．3 悬浮颗粒的边界条件设定

3．2．4 求解步骤

3．3 沉积判定模型的建立

3．3．1 流场和悬浮颗粒的初始条件设定

3．3．2 流场的边界条件设定

3．3．3 悬浮颗粒的边界条件设定

3．4 结果与讨论

3．4．1 全粘理想模型的结果与讨论

3．4．2 沉积判定模型的结果与讨论

3．4．3 全粘理想模型与沉积判定模型的比较

3．5 本章小结

4 扰流挡板强化管式微滤过程的CFD研究

4．1 计算模型的建立

4．1．1 计算网格的划分

4．1．2 流场和悬浮颗粒的初始条件设定

4．1．3 流场的边界条件设定

4．1．4 悬浮颗粒的边界条件设定

4．1．5 求解步骤

4．2 模型验证

4．3 操作参数对渗透通量的影响

4．3．1 跨膜压力对渗透通量的影响

4．3．2 进口速度对渗透通量的影响

4．4 扰流挡板结构参数的影响

4．4．1 挡板收缩率的影响

4．4．2 挡板间距的影响

4．5 流场分析

4．5．1 压力分布

4．5．2 速度分布

4．6 颗粒的沉积分布

4．7 本章小结

5 基于湍流旋涡结构分析的微滤过程强化研究

5．1 涡动力学及旋涡判据

5．1．1 涡动力学

5．1．2 旋涡判据

5．1．3 圆管内旋涡的发展过程及分析

5．2 扰流挡板结构参数对强化过程的影响

5．2．1 挡板收缩率(β)的影响

5．2．2 挡板间距(L/D)的影响

5．3 扰流挡板对滤饼形成的影响

5．3．2 挡板间距(L/D)对滤饼沉积的影响

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介