基于cfd的反滲透卷式膜進(jìn)水流道網(wǎng)格速度場(chǎng)數(shù)值模擬

基于cfd的反滲透卷式膜進(jìn)水流道網(wǎng)格速度場(chǎng)數(shù)值模擬

計(jì)算水流控制方程是通過(guò)數(shù)值方法求解流控制方程的方法，分析具有相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)，如流流和熱傳導(dǎo)，并對(duì)方程中的離散進(jìn)行定量描述。預(yù)測(cè)流態(tài)規(guī)律的學(xué)科。反滲透膜技術(shù)（RO）是過(guò)濾精度較高的水處理技術(shù)，在民用、工業(yè)水處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，膜污染和濃差極化仍然是阻礙反滲透膜應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展的短板。通過(guò)反滲透膜自身膜片的制備來(lái)解決上述問(wèn)題的研究有很多，例如通過(guò)化學(xué)耦合本文采用Fluent軟件，固定流道高度和隔網(wǎng)纖維絲特征尺寸，對(duì)纖維絲斷面形狀、纖維絲在流道中的不同位置情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)理論模擬分析。1纖維絲斷面形狀卷式膜元件是由多個(gè)膜袋纏繞在一開有孔洞的工程塑料中心集水管上制成。每個(gè)膜袋由兩張相背的膜片構(gòu)成，膜片中間夾一層聚酯纖維編織淡水網(wǎng)格。相鄰兩膜袋之間為進(jìn)水流道，進(jìn)水流道內(nèi)鋪夾塑料隔網(wǎng)，起到導(dǎo)流和分隔膜袋的作用，進(jìn)水沿膜袋外側(cè)的進(jìn)水網(wǎng)格從膜元件的一端進(jìn)入膜元件，部分作為產(chǎn)水透過(guò)膜，其余部分作為濃水從膜元件的另外一側(cè)排出。原水在流道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)受到隔網(wǎng)形態(tài)的制約。反滲透膜流道示意圖如圖1所示。為方便研究，將進(jìn)水流道簡(jiǎn)化成一個(gè)矩形空間圖2中，矩形左側(cè)是入口，右側(cè)是出口，上邊和下邊為膜面，同時(shí)將膜面視為不可滲透的壁面，在矩形中均勻分布三根纖維絲。為了考察纖維絲斷面形狀對(duì)原水水流狀態(tài)的影響，將纖維絲的斷面形狀分為兩類：一類是圓滑邊斷面（如橢圓、圓形）；另一類是邊角斷面（如：三角形，正方形、六邊形）。實(shí)驗(yàn)分別以圓形、三角形、正方形的纖維絲為代表進(jìn)行模擬分析。圓形斷面纖維絲直徑0.5mm；三角形斷面纖維絲高h(yuǎn)進(jìn)水雷諾數(shù)的計(jì)算見(jiàn)公式（1）。式中：ρ為水的密度，數(shù)值為1000kg/m計(jì)算得到Re=500。因?yàn)镽e∈500～2000為層流范圍，因此水在流道內(nèi)的狀態(tài)是層流。2結(jié)果和分析2.1不同斷面的纖維絲對(duì)原水運(yùn)行的影響2.1.1纖維絲在反滲透膜中的壓力在相同的雷諾數(shù)下，對(duì)比圓形斷面、三角形斷面、正方形斷面的纖維絲對(duì)原水流動(dòng)壓降的影響，如圖3所示。圖3中，紅色表示完全阻隔，深藍(lán)色表示無(wú)阻力。從圖3可以看出，三角形斷面、正方形斷面邊界較為尖銳且有凸出的阻隔線，對(duì)流體傳遞有較大的阻礙作用，纖維絲對(duì)原水的阻力較大，經(jīng)過(guò)相同長(zhǎng)度的流道之后，兩者的壓力降非常明顯；如果這兩種斷面形狀的進(jìn)水流道纖維絲應(yīng)用在反滲透膜中，勢(shì)必會(huì)造成比較大的壓力損失，對(duì)于反滲透系統(tǒng)的能耗非常不利。相比于這兩種斷面形狀的纖維絲，圓形斷面形狀的纖維絲邊界較為平滑順暢，利于水流通過(guò)，壓力降比較平緩，壓力損失較小，對(duì)反滲透膜保持壓力比較有利。2.1.2纖維絲斷面分布進(jìn)行計(jì)算時(shí)，設(shè)置Y方向上的重力參數(shù)，模擬分析纖維絲斷面形狀對(duì)原水流速的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以得出，這3種斷面形狀的纖維絲都會(huì)形成速度的分層現(xiàn)象，上部速度明顯高于下部有纖維絲的部分。著重對(duì)比3種纖維絲的左右兩側(cè)流速可以看出，三角形斷面的纖維絲產(chǎn)生了較強(qiáng)的湍流，而湍流是抑制膜污染和增強(qiáng)傳質(zhì)的有效手段，纖維絲左右的湍流越強(qiáng)，則越不容易沉積溶解度低的離子和膠體。結(jié)合圖3和圖4的分析可以看出：圓滑形斷面纖維絲利于保持壓力，抗污染性稍差，而三角形斷面和方形斷面的纖維絲雖然在抗污染和增強(qiáng)傳質(zhì)方面有優(yōu)勢(shì)，但壓力損失過(guò)大，同時(shí)會(huì)占據(jù)一部分膜面積，影響水通量，在實(shí)際應(yīng)用中不可取。對(duì)比這3種斷面形狀的纖維絲，表面光滑的圓形纖維絲有優(yōu)勢(shì)，因此后續(xù)分析以圓形為基礎(chǔ)進(jìn)行。2.2纖維絲的位置對(duì)原水運(yùn)行的影響2.2.1纖維絲位置對(duì)壓力損失的影響固定圓形斷面纖維絲為研究對(duì)象，計(jì)算纖維絲在流道中的不同位置對(duì)原水流動(dòng)壓降的影響。設(shè)置兩種模型：一是纖維絲貼近膜面；二是纖維絲在流道正中間。結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，纖維絲貼近膜面時(shí)，每根纖維絲都造成一定的壓力損失；而纖維絲在膜面中間時(shí)，靠近入口的第一根纖維絲造成了較大的壓力降，而后邊的纖維絲壓力損失較小。兩者對(duì)比，在膜面中間的纖維絲，壓力損失較小，對(duì)保持壓力有利。經(jīng)分析認(rèn)為，纖維絲在貼近膜面的位置時(shí)，由于增加了纖維絲與膜片接觸面積，導(dǎo)致有效水流面積降低，從而影響部分產(chǎn)水量，產(chǎn)水量降低的同時(shí)產(chǎn)水壓力也有部分降低，體現(xiàn)為整體壓降損失增加；同時(shí)，貼近膜面一側(cè)有效水流通道減少，從而一定程度阻礙了原水流動(dòng)，原水遇到障礙物以及繞過(guò)纖維絲，均會(huì)產(chǎn)生不同程度的壓力損失。2.2.2纖維絲對(duì)流速的影響實(shí)驗(yàn)?zāi)M了2種纖維絲位置對(duì)原水流速的影響，如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，纖維絲靠近膜面會(huì)產(chǎn)生速度分層，纖維絲左右產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度也不是很大；纖維絲在膜面中間，水流經(jīng)過(guò)纖維絲時(shí)，會(huì)在纖維絲上部和下部加速，這部分水流可以破壞濃差極化層，增強(qiáng)傳質(zhì)，經(jīng)過(guò)纖維絲之后，產(chǎn)生小渦流，但流速?zèng)]有很大的降低。以上計(jì)算說(shuō)明纖維絲在膜面中間對(duì)流速影響較小，同時(shí)，沒(méi)有太多流動(dòng)死角，不易沉積污染物，抗污染性能較好。分析認(rèn)為，由于貼近膜面的纖維絲周期性出現(xiàn)，對(duì)壓力造成一定的損失，在貼近膜片層驅(qū)動(dòng)力下降的同時(shí)，流量也會(huì)有損失，導(dǎo)致流速降低，在遠(yuǎn)離膜片層，流道面積增加，流速也會(huì)降低；而在膜面中間的纖維絲由于壓力損失小，流量及流道面積均衡，且原水在加速通過(guò)纖維絲之后，僅在纖維絲后方出現(xiàn)一定回流，對(duì)整體流速影響不大。2.3圓形段和橢圓形段對(duì)原水運(yùn)行的影響2.3.1纖維絲壓力降數(shù)值模擬以圓形纖維絲形態(tài)作為基礎(chǔ)，纖維絲位置在膜面中間，對(duì)圓形纖維絲形態(tài)的延伸進(jìn)行模擬對(duì)比，對(duì)比斷面形狀為圓形和橢圓型以及傾斜橢圓形的纖維絲。設(shè)定圓形的直徑為0.5mm，橢圓的長(zhǎng)徑為0.5mm，短徑為0.25mm，同時(shí)將橢圓斷面纖維絲旋轉(zhuǎn)20°作為斜橢圓，一同進(jìn)行了計(jì)算模擬，結(jié)果如圖7所示。由圖7的計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)置橢圓垂直水流方向上是短徑，可以看出橢圓斷面和傾斜橢圓斷面的纖維絲壓力降比較平緩，對(duì)保持壓力比較有利。這與圓形斷面相比，原水的正面接觸面積減小，且端面類似于紡錘體流線型，利于原水通過(guò)，對(duì)水流的阻力減小，利于壓力保持。2.3.2速度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖8所示為圓形、橢圓形、傾斜橢圓形斷面纖維對(duì)原水速度的影響。由圖8可以看出，橢圓斷面和傾斜橢圓斷面纖維絲都形成了靠近膜面的速度比較快的區(qū)域，比圓形斷面纖維絲形成的速度快的區(qū)域要長(zhǎng)很多，此區(qū)域?qū)υ鰪?qiáng)傳質(zhì)，緩解膜面污染非常有利，而這兩種纖維形式之間的區(qū)別不是特別明顯，斜橢圓表現(xiàn)稍好一些。分析認(rèn)為，橢圓形斷面由于壓力保持較好，截面形狀有助于使水流快速通過(guò)，流速損失降低。橢圓形斷面（含斜橢圓斷面）的纖維絲對(duì)保持壓力和防止污染物沉淀優(yōu)勢(shì)明顯。2.4優(yōu)化橢圓截面纖維絲2.4.1兩種纖維絲對(duì)原水的影響綜上可知橢圓形斷面的纖維絲優(yōu)勢(shì)比較明顯。為了得到更優(yōu)的纖維絲形式，本文對(duì)橢圓形斷面的纖維絲排布進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)置了一種不同傾斜樣式交替出現(xiàn)的橢圓纖維絲，對(duì)比分析傾斜20°的纖維絲和傾斜20°與傾斜-20°交替出現(xiàn)的纖維絲對(duì)原水的影響，結(jié)果如圖9所示。圖9的計(jì)算結(jié)果表明，傾斜20°與傾斜-20°交替出現(xiàn)的纖維絲壓力降比較平緩，壓力損失比單純傾斜20°的纖維絲小，壓力保持較好。經(jīng)過(guò)分析，傾斜角度交替出現(xiàn)的纖維絲使原水流道形成類梯型，利于水流鋪展流動(dòng)，更加順暢，壓力損失小。一致的纖維絲排列，會(huì)使原水朝向同一面導(dǎo)向，對(duì)壓力保持沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。2.4.2層流渦流對(duì)膜面性能的影響兩種不同形式的傾斜橢圓纖維絲對(duì)原水速度的影響如圖10所示。由圖10可見(jiàn)，傾斜20°與傾斜-20°交替出現(xiàn)的纖維絲出現(xiàn)了層流渦，層流渦的出現(xiàn)增強(qiáng)了2個(gè)膜面之間的傳質(zhì)效果，有利于減緩膜面污染，優(yōu)勢(shì)明顯。分析認(rèn)為，這是由于正負(fù)角度交替出現(xiàn)的橢圓纖維絲，具備明顯擾動(dòng)原水的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)制原水流動(dòng)方向發(fā)生變化，在周期性出現(xiàn)的傾斜橢圓纖維絲作用下，原水出現(xiàn)較大的層流渦。3膜面密度的設(shè)置通過(guò)以上的模擬計(jì)算，本文對(duì)多種形態(tài)的纖維絲對(duì)原水的影響都做了對(duì)比分析，最終得出處于流道中間的圓形斷面纖維絲具有綜合優(yōu)勢(shì)，在保證比較小的壓力降的同時(shí)，可以降低污染物在膜面沉積，又具有較好的傳質(zhì)效果。以上是在簡(jiǎn)化后的模型中進(jìn)行分析，要保證纖維絲在膜面中間和纖維絲交叉的位置，根據(jù)設(shè)計(jì)距離膜面的通道尺寸，在隔網(wǎng)相交點(diǎn)設(shè)置了一個(gè)光滑半球形狀的結(jié)點(diǎn)，如圖11所示。圖11中，這些凸起部分的結(jié)點(diǎn)的作用是將纖維絲架空在兩個(gè)膜面中間，同時(shí)光滑半球可以減緩在卷制過(guò)程中對(duì)膜面的損傷。4纖維絲形態(tài)對(duì)原水的原因隔網(wǎng)纖維絲在流道內(nèi)的狀態(tài)，對(duì)原水