SFMBR配置微通道湍流促进器流体动力学的CFD模拟和PIV测定

摘要

我国水资源短缺，加之人们对水资源的保护不够，水资源的浪费和污染现象十分严重，进行污水处理和回用已迫在眉睫。膜生物反应器作为一种新型的高效水处理技术，具有出水水质优良、有机物去除率高、污泥产率低、占地面积小等优点，日益受到国内外研究者的关注，然而膜污染是制约膜生物反应器技术推广与发展的技术难题。通过改善膜表面流体的流动状态是控制膜污染和浓差极化的重要手段之一，湍流促进器在强化流体湍流程度，改善流体流动状态方面效果明显，目前国内外的研究主要是将湍流促进器直接配置在管式膜生物中，减小了有效膜面积，同时增大了膜生物反应器的占地面积，本文为了克服以上缺点，将微通道湍流促进器配置在平板膜表面上，同时在刺与刺之间加入微孔，增大膜的有效过滤面积。
　　通过CFD数值模拟微通道湍流促进器的不同放置方式、微通道湍流促进器上刺的形状和角度、刺与刺之间微孔的孔径以及膜间距对平板膜生物反应器中流体动力学参数的影响。模拟结果表明，加入微通道湍流促进器后，膜通道中流体的速度、湍流强度、湍流动能、壁面剪切力、湍流耗散率和压降都有所增大，即微通道湍流促进器对强化流体流动有很大作用，且沿膜面呈周期性变化，最大值出现在微通道湍流促进器附近。通过对比模拟数据，最终确定矩形微通道湍流促进器在膜面上双面平行放置，矩形刺角度为60°，刺之间微孔半径为0.3mm，膜间距为8mm对改善流体流动状态效果最好。将最佳效果与不加微通道湍流促进器膜通道内流体的动力学参数比较，发现膜通道内流体的速度、湍流强度和壁面剪切力分别平均增大了22.7％，66.1%，88.1%，湍流动能平均增大了11.7倍，这些参数增大更有利于抑制滤饼层形成，增大膜通量，延缓膜污染；膜通道内流体湍流耗散率平均增大了10.9%，湍流耗散率平均增大了23.2倍，湍流流体湍流耗散率和压降增大，说明膜生物反应器系统的能耗增大，但鉴于其对膜污染的有效作用，使用微通道湍流促进器还是利大于弊的。
　　运用PIV技术对CFD数值模拟的最佳结果进行实验验证。通过对CFD模拟计算的结果和PIV实验结果对比，模拟计算结果和实验结果吻合良好，验证了CFD的模拟结果。

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引言

第一章 文献综述

1.1 膜生物反应器的分类

1.2 膜生物反应器的优点及不足之处

1.3 膜污染及其影响因素

1.4 湍流促进器在膜生物反应器中的应用研究

1.5 PIV技术简介

1.6 研究目的及意义

1.7 主要研究内容

第二章 膜生物反应器计算模型的确立

2.1 计算流体力学概述

2.2 CFD的求解过程

2.3 MBR模拟步骤

第三章 微通道湍流促进器CFD数值模拟

3.1微通道湍流促进器在MBR中不同位置的CFD模拟

3.2 微通道湍流促进器形状的CFD模拟

3.3微通道湍流促进器刺角度的CFD模拟

3.4 加孔微通道湍流促进器与不加孔湍流促进器性能的比较

3.5 微通道湍流促进器微孔孔径的CFD模拟

3.6膜间距的CFD模拟

3.7 最佳微通道湍流促进器动力学及机理分析

第四章 PIV实验

4.1实验系统

4.2 CFD模拟结果与PIV实验结果比较分析

4.3 小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

作 者 简 介