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作者：2016級本科生 邵瑞朋 環(huán)境學(xué)院

指導(dǎo)老師：黃霞 環(huán)境學(xué)院

關(guān)鍵詞：CFD 圖案化膜 水力學(xué)特性

摘要

膜分離是一種較常用的污水資源化利用技術(shù)，但常常面臨膜污染問題。通過在膜表面增加各類圖案（如金字塔形、三棱錐形、網(wǎng)格形）等，借助表面凹凸不平的形狀，可以打亂了原本的層流，增進了流體的紊動，從而起到減小濃差極化、增加剪切力、抑制膜污染的作用。本章利用數(shù)值模擬的方法，從流場和剪切力兩個角度解析了圖案化膜表面水力學(xué)特性；然后探究了幾何參數(shù)對圖案化膜表面水力學(xué)特性的影響。

研究背景

膜分離技術(shù)具有著良好的應(yīng)用價值，但膜分離技術(shù)仍然面臨著膜污染現(xiàn)象等亟待解決的問題。在膜表面增加圖案，可以改善膜表面的水力學(xué)特性，增加紊動，抑制污染物的沉積和生長。目前，利用數(shù)值方法解析圖案化膜作用機理的研究，已經(jīng)達成了一些共識：圖案化膜的“波谷”區(qū)域剪切力較低，容易發(fā)生污染物的沉積；“波峰”處剪切力較高，污染物難以沉積，而通過顆粒物隨流線的運動，能對這一現(xiàn)象做出解釋。但目前數(shù)值模擬過程中所選用的指標(biāo)還較單一，僅局限于流速、剪切力等，且對于圖案化膜幾何形態(tài)和操作條件的研究還很少，往往是給定幾何形態(tài)和操作條件后進行單一的模擬。本文試圖揭示圖案化膜表面的水力學(xué)特性，然后探究幾何參數(shù)的影響。

圖1 幾種典型的圖案化膜形態(tài)（a:三棱錐形 b：金字塔形 c：普通平板膜）

圖2  四種形態(tài)的膜表面剪切力分布（a：無圖案；b：Pyramid形；c：R-Pyramid形；d：45-Pyramid形）

圖案化膜抑制膜污染的機理

除了膜實際表面積增加導(dǎo)致表觀通量增加以外，從水力學(xué)角度可以對圖案化膜能夠增加通量、減緩TMP上升速率的現(xiàn)象提供以下解釋：一方面，由于渦流等作用，膜表面的平均剪切力增大，污染物更不容易沉積，減緩了膜污染速率；另一方面由于圖案“波峰”區(qū)域剪切力很大，保證了一定的“清潔”區(qū)域，從而通量穩(wěn)定、不易衰減。錯流試驗中，圖案化膜的通量隨時間不會衰減至零，而是會趨于穩(wěn)定的原因，其結(jié)果與水力學(xué)模擬的結(jié)論相一致。

圖3 圖案化膜表面求解區(qū)域內(nèi)流線分布圖（含渦流區(qū)域放大圖）

圖4 圖案化膜表面剪切力的分布

幾何參數(shù)的影響

減小圖案的寬度，可以增大平均剪切力的數(shù)值；增大圖案的寬度，雖然剪切力變小，但渦流發(fā)展得更充分，剪切力分布更加均勻，因此應(yīng)當(dāng)在剪切力的數(shù)值和分布二者之間進行權(quán)衡，選擇恰當(dāng)?shù)膱D案寬度；增加圖案的高度，可以增大平均剪切力的數(shù)值；但當(dāng)圖案高度過大時，將有一部分區(qū)域無法被流體沖刷，平均剪切力反而下降，且分布不均勻。此外，當(dāng)圖案寬度過小而高度過大時，容易發(fā)生全局湍流化的現(xiàn)象，顯著增加能耗，降低反應(yīng)器的使用壽命，應(yīng)當(dāng)避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。

圖5  高度為H/2的樣本線段上點的垂直方向分速度隨x坐標(biāo)的變化

圖6 不同W下圖案化膜表面的渦旋側(cè)視圖（a:W=200μm b:300μm c:400μm d:600μm e:750μm f:1000μm）

表1 圖案化膜表面平均剪切力與圖案的寬度、高度的關(guān)系（單位：Pa）

表2 圖案化膜表面最大剪切力與圖案的寬度、高度的關(guān)系（單位：Pa）