基于单根膜丝的膜组件流场数值模拟

基于单根膜丝的膜组件流场数值模拟

目前，水处理是社会关注的焦点，膜分离技术的应用也越来越广泛。目前CFD对膜分离技术的研究主要建立在微观和宏观两个层面。微观上研究膜丝内部流场的流动特性。如徐帆等膜组件内的水动力环境和传质过程是膜工程领域中面临的主要挑战之一，也是膜组件在膜产业化过程中能耗高、产率低、寿命短的关键切入点1cfd模拟1.1膜组件网格划分由于柱式膜组件内膜丝数量多，建立多根膜丝会增加网格数量使计算繁琐，运行速度受到限制。为计算方便，本文先建立一根中空纤维膜丝的柱式膜组件。建立模型时，经过多次设置参数选取最优的简化模型，建模时缩小了实际的膜组件尺寸范围，并假设膜丝为刚性的。根据水力学相似原理，超滤膜整体组件与各根膜丝都为轴对称结构，因此，只考虑一根膜丝径向及轴向流动状态对膜整体过滤过程。图1为从不同角度显示的单丝膜组件的网格划分。由于模型稍微复杂，所以膜丝内部采用Hex/Cooper的划分方法以获得高质量的网格，剩余膜组件部分采用Tet/Hybrid/TGrid非结构化网格，根据模型尺寸及网格最佳数量，设置的Intervalsize为0.0008，几何体中流动区域划分成192778个元素的网格。图2为经Gambit设置的单丝膜组件的边界条件，其中模型上端为速度入口，膜丝两端为压力出口，膜表面为多孔介质模型。1.2flunt求解器本文基于Fluent6.3.26软件中的有限体积法开展研究。由于中空纤维膜丝表面遍布了许多细小的孔洞，可将其设置为多孔介质模型式中：S采用Fluent三维单精度求解器进行数值计算。在进行求解参数设置时，选择压力基求解器的隐式求解，三维定长的Mixture模型（假设在模拟前，液相中的水已进行预处理，只考虑气液两相混合对模拟结果的影响），其中水为基本相，根据参考的文献资料并结合实际情况选取的速度分别为0.1、0.2和0.3m/s2结果与分析2.1溶液速度为0.1ms，膜组内部流场分布设置边界条件中液相的速度为0.1m/s,Fluent运行计算后迭代到232步残差收敛，如图3所示，此时计算结束。2.1.1单丝膜多孔介质的流速分布图4为经过后处理后沿径向和轴向选取的不同且足够多的截面模拟的液相速度云图及速度矢量图。从图4中可以观察组件内形成的羽流区以及液相速度变化趋势。由图4(a）可以观察到在入口处区域，由于壁面的剪切应力作用，液相水在中间部分流速大，保持在0.1m/s，壁面处流速小，速度分布不均匀，当水从入口处渗入到膜丝的多孔介质区域时，由于膜丝表面的过滤阻力作用，流速逐渐减小形成一个梯度，过滤后速度值约为0.02m/s，梯度变化不太明显。在膜丝出口处的流速稍有所增加，这是由于组件壁面对其形成了阻力，影响了流体往出口方向的流动，加之设置的压力出口边界条件，使流体不断向膜丝表面的多孔介质区域挤压，因此出口速度有增加的趋势。图4(b）为单丝膜多孔介质区域水流分布速度云图，从图4(b）可以观察到，水赋予的初始速度及径向重力的影响使入口处部分的膜丝表面形成局部高速区，而横向部分由于速度差始终保持在0.01m/s之间。图4(c）是选取的多个截面，呈现出三维形状，更便于组件整体观察。图4(d）是速度矢量图，它是一项直观并且容易理解的指标参数，其描述的是系统内速度的量级与方向，其箭头指向表示为速度方向。从图4(d）可以看出，在膜组件的入口处速度数量级较大，箭头指向组件内部，在流速到达一定程度时流体逐渐向两侧分散，出口处箭头向外指出，与实际情况较为相符。2.1.2径向速度沿流程的变化散点x=0.083m处是膜过滤的入口位置，以入口处到膜组件底部的约0.026的中心线长度表示流体径向流速即y方向速度的变化，也代表膜的过滤速度变化。图5为入口位置的径向速度沿流程的变化散点图。从图5中可以看出，初始时刻液相水速度为0.1m/s，而在沿入口管径约0.005m处由于重力因素的影响速度略微增大，但当在大约0.010～0.013m之间（这部分长度为膜丝直径长度）流速快速下降，逐渐接近于0，这是由于膜丝表面的多孔介质结构使得流体在通过时需不断克服过滤阻力，压力沿流程不断减小，流体流速迅速下降，最后趋于平缓，流体流速的这种变化也从侧面间接反映出膜多孔介质的渗透通量的变化。2.2fluen模型在其他条件不变的情况下，设置边界条件中液相的速度为0.2m/s,Fluent运行计算后迭代到348步残差收敛，如图6所示，此时计算结束。2.2.1m/s速度图7为0.2m/s液相速度时y=0截面的速度云图。从图7中可以看出，膜组件的入口端部位速度值最大。与0.1m/s速度相同的点在于，在出口处由于流体之间的相互挤压及壁面的阻力作用速度值都相对较高。与0.1m/s速度不同的点在于，0.2m/s速度时流体在经过膜丝表面过滤后有一小段过渡段，且过渡段处有明显的速度梯度变化。沿膜丝径向方向速度值逐渐减小，从过滤前的0.12m/s逐渐减小到0.05m/s，并经历了约4个梯度值的变化，这可能是由于膜丝对流体的过滤阻力造成的。2.2.2单根膜丝过滤时间图8所示为0.2m/s时径向速度变化散点图。由图8可见，0.2m/s时与0.1m/s时相比无较大差异，同样在膜丝部分由于过滤阻力作用使得速度值下降较快，在通过单根膜丝过滤后，速度值逐渐减小，膜通量也相对较小。因此，结合0.1m/s流速可知，速度增加一个数量级即增加0.1m/s时，对膜丝的流场分布和通量影响不大。2.3溶液速度为0.3ms，是膜组的内部流场分布设置边界条件中液相的速度为0.3m/s,Fluent运行计算后迭代到508步残差收敛，如图9所示，计算结束。2.3.1流速场及速率分布图10为液相速度为0.3m/s时组件内的速度分布图。由图10(a）可知，从组件入口处至底部液相流速普遍较高，靠近入口部位的膜丝所受冲击力大，且组件底部淤积水分较多，远离入口处部分及组件壁面水分填充少，在出口处由于较快的流速及壁面较强的冲击力双重作用使得水向膜丝表面挤压，导致流速又急剧增大，且大于入口处约0.1m/s，这从图10(b）的速度矢量图中可以清楚地观察到。2.3.2入口径向的流动特性图11为液相流速为0.3m/s时入口处到组件底部的径向速度变化散点图。由图11可以观察到，组件中液相的流速随膜的流程呈现稍增大而后逐渐减小的趋势，同样在膜丝部分由于多孔介质引起的流动阻力，这一区域的流体速度逐渐降低，但没0.1m/s时的速度下降明显，结合图10的速度分布图可知，当速度为0.3m/s时，流体克服膜过滤阻力的能力较强，流速下降相对缓慢，透过膜丝内部的流量大，且在经过膜过滤后会逐渐分布于入口径向两侧，从而呈现如图10(a）所示的流动趋势。2.4不同截面的液相速度分布研究膜组件的气相速度分布是为了解气体冲刷对后续膜污染的清洗效果。模拟时设置气相速度分别为0.15m/s及0.3m/s，假设初始时刻组件内全部充满水，即气相的体积分数为0，经过Fluent软件模拟计算，得到0.15m/s及0.3m/s气相速度时柱式膜组件各截面的速度分布图。图12为0.15m/s气相速度时各截面的速度分布。从图12(a）的速度分布云图可知，由于组件内水对空气的阻力作用，使得气泡在入口处运动一定时间后逐渐贴近左侧壁面流动，且离壁面越近，数值越大，约为0.17m/s，组件右侧由于液压及空间等因素只有一小部分气泡运动，如图12(b）的箭头部分。随着流动的不断进行，气泡需克服水的阻力不断运动从而使得速度在远离入口端部分不断变小，在组件内的膜丝表面处气相速度分布相对均匀，但数值都较小，约为0.017m/s。图13为0.3m/s气相速度时y=0的速度分布图。由图13(a）可知，气相在入口处的径向速度梯度更大，数值变化明显，且与0.15m/s气相速度不同的是，0.3m/s气相速度在远离入口的右侧处由于气流存在差异而形成一小部分漩涡流，如图13(b）所示。0.3m/s时由于曝气强度大，从而膜面的气相速度相比0.15m/s时的大，这时气泡群产生的剪切力也较大，有利于膜面污染物的清洗。当气体强度较低时，气液相混合程度小，气泡群在膜丝壁面产生的剪切应力也相对较小，膜面清洗效果不理想，然而，当气体强度超过一定值时，又会使膜不可逆现象的污染趋势加重，同时增加能耗，破坏微生物絮体，因此，气体强度也是研究膜污染清洗的重要因素之一。2.53口处加速上升图14为0.1m/s、0.2m/s及0.3m/s时管内入口中心处到右出口处速度沿管程变化的对比图。由图14可知，0.3m/s时中心入口到出口处速度变化范围较大，速度在出口处急剧上升，0.1m/s及0.2m/s时各区域速度变化相对而言较为平缓。0.1m/s时入口处液相流速在经过膜丝表面的过滤后速度下降了5倍，也就是图中的初始部位的约0.02m/s,0.2m/s时速度下降了4倍，速度值约在0.05m/s左右，而0.3m/s速度时液相经过膜的过滤阻力后速度大约在0.15m/s，相比入口速度只减小了2倍，这也反映了相同渗透率条件下，0.3m/s与0.1m/s及0.2m/s的速度相比，膜丝入口段部位受力大，流体到组件的流量大，克服膜过滤阻力能力强，速度下降相对缓慢，膜通量相对较为理想。3液相速度和压力本文建立了单根柱式膜组件，通过多孔介质模型及Mixture模型研究了膜组件内部的流体分布情况，得出结论：(1）通过各截面的速度云图及矢量图可以分析出，由于膜丝的过滤阻力作用，沿入口径向方向，液相速度不断减小，且在出口处，由于多孔区域的挤压及组件两侧壁面对其形成的阻力，速度有所增加。(2）气相速度为0.15m/s与0.3m/s时的速度分布无较大差