基于移动网格的超滤膜污染物截留过程动态数值模拟研究

摘要

在膜组件的运行过程中，膜污染一直是制约膜技术发展和应用的主要问题之一，有效解决膜污染的问题是优化膜组件的运行条件、延长膜组件运行周期的关键，而研究膜污染的机理、充分认识膜污染的过程则是这一问题的核心。由于影响膜污染过程的因素众多，实验及理论研究均是不可或缺的研究手段。由于受到测量手段及成本的制约，实验手段通常无法对膜污染问题开展精细化、大范围的研究，这就需要结合强有力的数学模型，来获得对这一问题深入、全面的认识。近年来，已出现了大量基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的有关膜过滤过程的模拟及优化工作，通过数值模拟不但可以直观地获得膜组件内的各种流动参数，还可以对膜组件的过滤特性及运行条件进行优化，甚至在某些无法开展实验研究的场合也可以通过CFD手段获得有价值的信息。
　　本文针对超滤膜组件的膜污染问题，建立了基于移动网格的CFD研究手段。将膜本体视为多孔介质处理，在物理模型中耦合了自由流动、多孔介质流动及稀物质传递过程，并将污染物的法向截留积累量及切向剪切洗脱量与污染物界面处的网格变形速度相关联，实现了对截留污染物在膜面累积过程的动态模拟。通过数值模拟得到了内压式中空纤维超滤膜组件流场和浓度场的分布情况，以及膜表面的浓差极化现象。随后通过中空纤维膜组件的实验，确定出了这一关联表达式中的匹配参数，当污染物截留匹配参数c1为200m3/mol、剪切力匹配参数c2为5×10?15m时，模拟数值结果与两组实验数据均较为吻合，在确定这一参数后，可以此为基础开展同一类型的污染物截留研究。在所建立的动态模型的基础上，进一步研究了不同膜面形式（平面膜及波状膜）对膜过滤过程的影响，研究表明平面膜的剪切力分布较均匀，一段时间后膜通量显著下降；而波状膜特殊的形状使得其波峰、波谷处剪切力分布不均匀，从而具有更好的抗污染性能，能够长时间保持一定的过滤通量。这一动态模型的建立为深入地研究污染物的截留过程、开展膜组件的优化设计提供了有效手段。

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1.绪 论

1.1课题背景

1.2超滤技术简介

1.3国内外研究现状

1.4研究意义及目的

1.5研究内容

2.理论基础

2.1基本概念

2.2 Darcy定律

2.3阻塞模型

2.4物质传输模型

2.5阻力模型

2.6中空纤维膜组件流场分布解析解推导

2.7本章小结

3.内压式中空纤维膜面污染物截留的数值模拟研究

3.1研究内容

3.2数值模拟简介

3.3膜面污染物截留的数值模型

3.4内压式中空纤维膜匹配参数实验

3.5数值模拟结果分析

3.6本章小结

4.膜面形状对膜过滤性能的影响研究

4.1研究内容

4.2不同膜面的膜污染模型建立

4.3数值模拟结果分析

4.4本章小结

5.结论及展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录 COMSOL Multiphysics 4.3a简介

在读期间取得的研究成果