基于單根膜絲的膜組件流場(chǎng)數(shù)值模擬

基于單根膜絲的膜組件流場(chǎng)數(shù)值模擬

目前，水處理是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，膜分離技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。目前CFD對(duì)膜分離技術(shù)的研究主要建立在微觀和宏觀兩個(gè)層面。微觀上研究膜絲內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)特性。如徐帆等膜組件內(nèi)的水動(dòng)力環(huán)境和傳質(zhì)過(guò)程是膜工程領(lǐng)域中面臨的主要挑戰(zhàn)之一，也是膜組件在膜產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中能耗高、產(chǎn)率低、壽命短的關(guān)鍵切入點(diǎn)1cfd模擬1.1膜組件網(wǎng)格劃分由于柱式膜組件內(nèi)膜絲數(shù)量多，建立多根膜絲會(huì)增加網(wǎng)格數(shù)量使計(jì)算繁瑣，運(yùn)行速度受到限制。為計(jì)算方便，本文先建立一根中空纖維膜絲的柱式膜組件。建立模型時(shí)，經(jīng)過(guò)多次設(shè)置參數(shù)選取最優(yōu)的簡(jiǎn)化模型，建模時(shí)縮小了實(shí)際的膜組件尺寸范圍，并假設(shè)膜絲為剛性的。根據(jù)水力學(xué)相似原理，超濾膜整體組件與各根膜絲都為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此，只考慮一根膜絲徑向及軸向流動(dòng)狀態(tài)對(duì)膜整體過(guò)濾過(guò)程。圖1為從不同角度顯示的單絲膜組件的網(wǎng)格劃分。由于模型稍微復(fù)雜，所以膜絲內(nèi)部采用Hex/Cooper的劃分方法以獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格，剩余膜組件部分采用Tet/Hybrid/TGrid非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，根據(jù)模型尺寸及網(wǎng)格最佳數(shù)量，設(shè)置的Intervalsize為0.0008，幾何體中流動(dòng)區(qū)域劃分成192778個(gè)元素的網(wǎng)格。圖2為經(jīng)Gambit設(shè)置的單絲膜組件的邊界條件，其中模型上端為速度入口，膜絲兩端為壓力出口，膜表面為多孔介質(zhì)模型。1.2flunt求解器本文基于Fluent6.3.26軟件中的有限體積法開(kāi)展研究。由于中空纖維膜絲表面遍布了許多細(xì)小的孔洞，可將其設(shè)置為多孔介質(zhì)模型式中：S采用Fluent三維單精度求解器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在進(jìn)行求解參數(shù)設(shè)置時(shí)，選擇壓力基求解器的隱式求解，三維定長(zhǎng)的Mixture模型（假設(shè)在模擬前，液相中的水已進(jìn)行預(yù)處理，只考慮氣液兩相混合對(duì)模擬結(jié)果的影響），其中水為基本相，根據(jù)參考的文獻(xiàn)資料并結(jié)合實(shí)際情況選取的速度分別為0.1、0.2和0.3m/s2結(jié)果與分析2.1溶液速度為0.1ms，膜組內(nèi)部流場(chǎng)分布設(shè)置邊界條件中液相的速度為0.1m/s,Fluent運(yùn)行計(jì)算后迭代到232步殘差收斂，如圖3所示，此時(shí)計(jì)算結(jié)束。2.1.1單絲膜多孔介質(zhì)的流速分布圖4為經(jīng)過(guò)后處理后沿徑向和軸向選取的不同且足夠多的截面模擬的液相速度云圖及速度矢量圖。從圖4中可以觀察組件內(nèi)形成的羽流區(qū)以及液相速度變化趨勢(shì)。由圖4(a）可以觀察到在入口處區(qū)域，由于壁面的剪切應(yīng)力作用，液相水在中間部分流速大，保持在0.1m/s，壁面處流速小，速度分布不均勻，當(dāng)水從入口處滲入到膜絲的多孔介質(zhì)區(qū)域時(shí)，由于膜絲表面的過(guò)濾阻力作用，流速逐漸減小形成一個(gè)梯度，過(guò)濾后速度值約為0.02m/s，梯度變化不太明顯。在膜絲出口處的流速稍有所增加，這是由于組件壁面對(duì)其形成了阻力，影響了流體往出口方向的流動(dòng)，加之設(shè)置的壓力出口邊界條件，使流體不斷向膜絲表面的多孔介質(zhì)區(qū)域擠壓，因此出口速度有增加的趨勢(shì)。圖4(b）為單絲膜多孔介質(zhì)區(qū)域水流分布速度云圖，從圖4(b）可以觀察到，水賦予的初始速度及徑向重力的影響使入口處部分的膜絲表面形成局部高速區(qū)，而橫向部分由于速度差始終保持在0.01m/s之間。圖4(c）是選取的多個(gè)截面，呈現(xiàn)出三維形狀，更便于組件整體觀察。圖4(d）是速度矢量圖，它是一項(xiàng)直觀并且容易理解的指標(biāo)參數(shù)，其描述的是系統(tǒng)內(nèi)速度的量級(jí)與方向，其箭頭指向表示為速度方向。從圖4(d）可以看出，在膜組件的入口處速度數(shù)量級(jí)較大，箭頭指向組件內(nèi)部，在流速到達(dá)一定程度時(shí)流體逐漸向兩側(cè)分散，出口處箭頭向外指出，與實(shí)際情況較為相符。2.1.2徑向速度沿流程的變化散點(diǎn)x=0.083m處是膜過(guò)濾的入口位置，以入口處到膜組件底部的約0.026的中心線長(zhǎng)度表示流體徑向流速即y方向速度的變化，也代表膜的過(guò)濾速度變化。圖5為入口位置的徑向速度沿流程的變化散點(diǎn)圖。從圖5中可以看出，初始時(shí)刻液相水速度為0.1m/s，而在沿入口管徑約0.005m處由于重力因素的影響速度略微增大，但當(dāng)在大約0.010～0.013m之間（這部分長(zhǎng)度為膜絲直徑長(zhǎng)度）流速快速下降，逐漸接近于0，這是由于膜絲表面的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)使得流體在通過(guò)時(shí)需不斷克服過(guò)濾阻力，壓力沿流程不斷減小，流體流速迅速下降，最后趨于平緩，流體流速的這種變化也從側(cè)面間接反映出膜多孔介質(zhì)的滲透通量的變化。2.2fluen模型在其他條件不變的情況下，設(shè)置邊界條件中液相的速度為0.2m/s,Fluent運(yùn)行計(jì)算后迭代到348步殘差收斂，如圖6所示，此時(shí)計(jì)算結(jié)束。2.2.1m/s速度圖7為0.2m/s液相速度時(shí)y=0截面的速度云圖。從圖7中可以看出，膜組件的入口端部位速度值最大。與0.1m/s速度相同的點(diǎn)在于，在出口處由于流體之間的相互擠壓及壁面的阻力作用速度值都相對(duì)較高。與0.1m/s速度不同的點(diǎn)在于，0.2m/s速度時(shí)流體在經(jīng)過(guò)膜絲表面過(guò)濾后有一小段過(guò)渡段，且過(guò)渡段處有明顯的速度梯度變化。沿膜絲徑向方向速度值逐漸減小，從過(guò)濾前的0.12m/s逐漸減小到0.05m/s，并經(jīng)歷了約4個(gè)梯度值的變化，這可能是由于膜絲對(duì)流體的過(guò)濾阻力造成的。2.2.2單根膜絲過(guò)濾時(shí)間圖8所示為0.2m/s時(shí)徑向速度變化散點(diǎn)圖。由圖8可見(jiàn)，0.2m/s時(shí)與0.1m/s時(shí)相比無(wú)較大差異，同樣在膜絲部分由于過(guò)濾阻力作用使得速度值下降較快，在通過(guò)單根膜絲過(guò)濾后，速度值逐漸減小，膜通量也相對(duì)較小。因此，結(jié)合0.1m/s流速可知，速度增加一個(gè)數(shù)量級(jí)即增加0.1m/s時(shí)，對(duì)膜絲的流場(chǎng)分布和通量影響不大。2.3溶液速度為0.3ms，是膜組的內(nèi)部流場(chǎng)分布設(shè)置邊界條件中液相的速度為0.3m/s,Fluent運(yùn)行計(jì)算后迭代到508步殘差收斂，如圖9所示，計(jì)算結(jié)束。2.3.1流速場(chǎng)及速率分布圖10為液相速度為0.3m/s時(shí)組件內(nèi)的速度分布圖。由圖10(a）可知，從組件入口處至底部液相流速普遍較高，靠近入口部位的膜絲所受沖擊力大，且組件底部淤積水分較多，遠(yuǎn)離入口處部分及組件壁面水分填充少，在出口處由于較快的流速及壁面較強(qiáng)的沖擊力雙重作用使得水向膜絲表面擠壓，導(dǎo)致流速又急劇增大，且大于入口處約0.1m/s，這從圖10(b）的速度矢量圖中可以清楚地觀察到。2.3.2入口徑向的流動(dòng)特性圖11為液相流速為0.3m/s時(shí)入口處到組件底部的徑向速度變化散點(diǎn)圖。由圖11可以觀察到，組件中液相的流速隨膜的流程呈現(xiàn)稍增大而后逐漸減小的趨勢(shì)，同樣在膜絲部分由于多孔介質(zhì)引起的流動(dòng)阻力，這一區(qū)域的流體速度逐漸降低，但沒(méi)0.1m/s時(shí)的速度下降明顯，結(jié)合圖10的速度分布圖可知，當(dāng)速度為0.3m/s時(shí)，流體克服膜過(guò)濾阻力的能力較強(qiáng)，流速下降相對(duì)緩慢，透過(guò)膜絲內(nèi)部的流量大，且在經(jīng)過(guò)膜過(guò)濾后會(huì)逐漸分布于入口徑向兩側(cè)，從而呈現(xiàn)如圖10(a）所示的流動(dòng)趨勢(shì)。2.4不同截面的液相速度分布研究膜組件的氣相速度分布是為了解氣體沖刷對(duì)后續(xù)膜污染的清洗效果。模擬時(shí)設(shè)置氣相速度分別為0.15m/s及0.3m/s，假設(shè)初始時(shí)刻組件內(nèi)全部充滿水，即氣相的體積分?jǐn)?shù)為0，經(jīng)過(guò)Fluent軟件模擬計(jì)算，得到0.15m/s及0.3m/s氣相速度時(shí)柱式膜組件各截面的速度分布圖。圖12為0.15m/s氣相速度時(shí)各截面的速度分布。從圖12(a）的速度分布云圖可知，由于組件內(nèi)水對(duì)空氣的阻力作用，使得氣泡在入口處運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間后逐漸貼近左側(cè)壁面流動(dòng)，且離壁面越近，數(shù)值越大，約為0.17m/s，組件右側(cè)由于液壓及空間等因素只有一小部分氣泡運(yùn)動(dòng)，如圖12(b）的箭頭部分。隨著流動(dòng)的不斷進(jìn)行，氣泡需克服水的阻力不斷運(yùn)動(dòng)從而使得速度在遠(yuǎn)離入口端部分不斷變小，在組件內(nèi)的膜絲表面處氣相速度分布相對(duì)均勻，但數(shù)值都較小，約為0.017m/s。圖13為0.3m/s氣相速度時(shí)y=0的速度分布圖。由圖13(a）可知，氣相在入口處的徑向速度梯度更大，數(shù)值變化明顯，且與0.15m/s氣相速度不同的是，0.3m/s氣相速度在遠(yuǎn)離入口的右側(cè)處由于氣流存在差異而形成一小部分漩渦流，如圖13(b）所示。0.3m/s時(shí)由于曝氣強(qiáng)度大，從而膜面的氣相速度相比0.15m/s時(shí)的大，這時(shí)氣泡群產(chǎn)生的剪切力也較大，有利于膜面污染物的清洗。當(dāng)氣體強(qiáng)度較低時(shí)，氣液相混合程度小，氣泡群在膜絲壁面產(chǎn)生的剪切應(yīng)力也相對(duì)較小，膜面清洗效果不理想，然而，當(dāng)氣體強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，又會(huì)使膜不可逆現(xiàn)象的污染趨勢(shì)加重，同時(shí)增加能耗，破壞微生物絮體，因此，氣體強(qiáng)度也是研究膜污染清洗的重要因素之一。2.53口處加速上升圖14為0.1m/s、0.2m/s及0.3m/s時(shí)管內(nèi)入口中心處到右出口處速度沿管程變化的對(duì)比圖。由圖14可知，0.3m/s時(shí)中心入口到出口處速度變化范圍較大，速度在出口處急劇上升，0.1m/s及0.2m/s時(shí)各區(qū)域速度變化相對(duì)而言較為平緩。0.1m/s時(shí)入口處液相流速在經(jīng)過(guò)膜絲表面的過(guò)濾后速度下降了5倍，也就是圖中的初始部位的約0.02m/s,0.2m/s時(shí)速度下降了4倍，速度值約在0.05m/s左右，而0.3m/s速度時(shí)液相經(jīng)過(guò)膜的過(guò)濾阻力后速度大約在0.15m/s，相比入口速度只減小了2倍，這也反映了相同滲透率條件下，0.3m/s與0.1m/s及0.2m/s的速度相比，膜絲入口段部位受力大，流體到組件的流量大，克服膜過(guò)濾阻力能力強(qiáng)，速度下降相對(duì)緩慢，膜通量相對(duì)較為理想。3液相速度和壓力本文建立了單根柱式膜組件，通過(guò)多孔介質(zhì)模型及Mixture模型研究了膜組件內(nèi)部的流體分布情況，得出結(jié)論：(1）通過(guò)各截面的速度云圖及矢量圖可以分析出，由于膜絲的過(guò)濾阻力作用，沿入口徑向方向，液相速度不斷減小，且在出口處，由于多孔區(qū)域的擠壓及組件兩側(cè)壁面對(duì)其形成的阻力，速度有所增加。(2）氣相速度為0.15m/s與0.3m/s時(shí)的速度分布無(wú)較大差