本文關(guān)鍵詞： 中空纖維膜組件 計(jì)算流體力學(xué) 流動(dòng)分布 模型 模擬　出處：《華東理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：中空纖維膜組件性能低于預(yù)期,原因在于組件特殊的幾何結(jié)構(gòu)造成了不均勻的流動(dòng)分布。本文建立了單根膜絲與全組件的流動(dòng)與傳質(zhì)模型,采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)外加輔助實(shí)驗(yàn)的方法,系統(tǒng)研究了流體流動(dòng)分布與組件性能之間的關(guān)系。發(fā)展了強(qiáng)化膜過(guò)程的均布技術(shù),根據(jù)模擬結(jié)果擬合出了中空纖維膜組件產(chǎn)水性能關(guān)聯(lián)式,實(shí)現(xiàn)了大型中空纖維膜組件全過(guò)程的模擬,建立了細(xì)微流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與組件宏觀性能之間的聯(lián)系,可用于指導(dǎo)組件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。主要工作有以下三方面：(1)膜絲通量分布均勻性與能量利用率首先采用模型法建立了膜絲通量分布的解析表達(dá)式,據(jù)此提出三個(gè)無(wú)量綱數(shù),分別用于預(yù)測(cè)局部通量最大值所處位置,表征通量分布均勻性和能量利用率。然后建立膜絲外壓式全量純水過(guò)濾的CFD模型,模擬得到通量分布均勻性和能量利用率隨幾何參數(shù)的變化關(guān)系。通量分布均勻性的降低必然導(dǎo)致能量利用率的降低。提出了膜絲尺寸的合理范圍,即長(zhǎng)度低于2 m,內(nèi)徑大于0.4mm,裝填密度低于0.6,以避免通量分布均勻性和能量利用率的惡化。最后根據(jù)數(shù)理推導(dǎo),設(shè)計(jì)出了阻力沿長(zhǎng)度方向呈拋物線分布的中空纖維膜絲,用于保證初始通量分布的完全均勻。(2)組件外部殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)首先采用CFD模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了中空纖維膜組件外部空殼的流體分布特性以及各部件的阻力損耗,發(fā)現(xiàn)殼體內(nèi)部流動(dòng)分布均勻性不受操作流量影響,而各部件阻力損耗占總能耗的比例均隨流量的變化而變化,中空纖維膜組件外部殼體總阻力損耗中慣性阻力損耗約占一半。然后建立了中空纖維膜組件外壓式純水過(guò)濾的三維CFD模型,研究進(jìn)口分布器結(jié)構(gòu)對(duì)組件能耗,管殼程速度分布以及通量分布的影響。結(jié)果表明：?jiǎn)胃そz產(chǎn)水性能優(yōu)于組件產(chǎn)水性能的原因在于后者存在進(jìn)口阻力損耗；進(jìn)口分布器開(kāi)孔率的增大有助于降低進(jìn)口阻力損耗；進(jìn)口分布器造成的不均勻初始流動(dòng)影響殼程流場(chǎng)均勻性,但幾乎不影響管程速度分布;組件通量分布存在三維不均勻性；對(duì)于給定尺寸的膜絲,提高通量分布均勻性關(guān)鍵在于提高殼程流場(chǎng)均勻性。最后,設(shè)計(jì)出了新型進(jìn)口分布器。(3)大型中空纖維膜組件污水過(guò)濾的全過(guò)程模擬基于膜過(guò)濾的濾餅形成機(jī)理,建立了中空纖維膜組件外壓全量過(guò)濾的CFD模型。首先,模擬得到各種膜絲長(zhǎng)度,直徑,滲透系數(shù),裝填密度,污染指數(shù)以及跨膜壓差下,通量分布和產(chǎn)水量的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。研究結(jié)果表明：通量分布會(huì)隨著過(guò)濾的進(jìn)行而逐漸變得均勻,這種通量分布的自我調(diào)節(jié)作用在膜絲較長(zhǎng),較細(xì),滲透系數(shù)較高,裝填密度較高,污染指數(shù)較高以及跨膜壓差較高時(shí)更為明顯；產(chǎn)水流量的倒數(shù)與累積產(chǎn)水量呈線性關(guān)系,但由于通量分布不均勻并且均勻性存在演變,這種線性關(guān)系區(qū)別于傳統(tǒng)濾餅過(guò)濾模型；通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到了適用于中空纖維膜外壓式全量操作的濾餅過(guò)濾關(guān)聯(lián)式。然后,以結(jié)構(gòu)優(yōu)化的中空纖維膜組件為對(duì)象,采用CFD方法模擬了大型中空纖維膜組件外壓全量過(guò)濾過(guò)程。結(jié)果表明：殼程速度分布均勻性隨時(shí)間變化較小,因此進(jìn)口分布器設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系著整個(gè)過(guò)濾過(guò)程殼程流場(chǎng)分布的均勻性；外壓式恒壓操作,進(jìn)口損耗隨著過(guò)濾進(jìn)行而不斷減小。污垢與通量之間存在互相調(diào)節(jié)的作用。但是污垢分布均勻性的提升遠(yuǎn)不如通量分布,原因在于污垢對(duì)通量分布的調(diào)節(jié)能力存在對(duì)時(shí)間的“記憶性”,而通量對(duì)污垢的調(diào)節(jié)作用僅與即時(shí)通量大小有關(guān)。組件產(chǎn)水流量的倒數(shù)和累積產(chǎn)水量仍然呈線性關(guān)系,雖然進(jìn)口損耗隨時(shí)間不斷減小,該線性關(guān)系仍然可以采用上述關(guān)聯(lián)式進(jìn)行描述。該關(guān)聯(lián)式結(jié)合簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)可以直接得到進(jìn)口分布器損耗的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ051.893

【參考文獻(xiàn)】

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1 吳云;張楠;張宏偉;賈輝;;膜曝氣生物膜反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的CFD模擬及組件優(yōu)化[J];化工學(xué)報(bào);2015年01期

2 張曉光;王士剛;;振動(dòng)特性對(duì)中空纖維膜組件管外傳質(zhì)的影響[J];化學(xué)工程;2014年08期

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本文編號(hào)：1517658