本文關鍵詞： 中空纖維膜組件 計算流體力學 流動分布 模型 模擬　出處：《華東理工大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：中空纖維膜組件性能低于預期,原因在于組件特殊的幾何結構造成了不均勻的流動分布。本文建立了單根膜絲與全組件的流動與傳質模型,采用計算流體力學(CFD)外加輔助實驗的方法,系統(tǒng)研究了流體流動分布與組件性能之間的關系。發(fā)展了強化膜過程的均布技術,根據(jù)模擬結果擬合出了中空纖維膜組件產水性能關聯(lián)式,實現(xiàn)了大型中空纖維膜組件全過程的模擬,建立了細微流場結構與組件宏觀性能之間的聯(lián)系,可用于指導組件的設計和優(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式,據(jù)此提出三個無量綱數(shù),分別用于預測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)的變化關系。通量分布均勻性的降低必然導致能量利用率的降低。提出了膜絲尺寸的合理范圍,即長度低于2 m,內徑大于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,設計出了阻力沿長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)化設計首先采用CFD模擬和實驗測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)殼體內部流動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濾的三維CFD模型,研究進口分布器結構對組件能耗,管殼程速度分布以及通量分布的影響。結果表明：單根膜絲產水性能優(yōu)于組件產水性能的原因在于后者存在進口阻力損耗；進口分布器開孔率的增大有助于降低進口阻力損耗；進口分布器造成的不均勻初始流動影響殼程流場均勻性,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；對于給定尺寸的膜絲,提高通量分布均勻性關鍵在于提高殼程流場均勻性。最后,設計出了新型進口分布器。(3)大型中空纖維膜組件污水過濾的全過程模擬基于膜過濾的濾餅形成機理,建立了中空纖維膜組件外壓全量過濾的CFD模型。首先,模擬得到各種膜絲長度,直徑,滲透系數(shù),裝填密度,污染指數(shù)以及跨膜壓差下,通量分布和產水量的動態(tài)演變過程。研究結果表明：通量分布會隨著過濾的進行而逐漸變得均勻,這種通量分布的自我調節(jié)作用在膜絲較長,較細,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更為明顯；產水流量的倒數(shù)與累積產水量呈線性關系,但由于通量分布不均勻并且均勻性存在演變,這種線性關系區(qū)別于傳統(tǒng)濾餅過濾模型；通過數(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濾關聯(lián)式。然后,以結構優(yōu)化的中空纖維膜組件為對象,采用CFD方法模擬了大型中空纖維膜組件外壓全量過濾過程。結果表明：殼程速度分布均勻性隨時間變化較小,因此進口分布器設計的合理性關系著整個過濾過程殼程流場分布的均勻性；外壓式恒壓操作,進口損耗隨著過濾進行而不斷減小。污垢與通量之間存在互相調節(jié)的作用。但是污垢分布均勻性的提升遠不如通量分布,原因在于污垢對通量分布的調節(jié)能力存在對時間的“記憶性”,而通量對污垢的調節(jié)作用僅與即時通量大小有關。組件產水流量的倒數(shù)和累積產水量仍然呈線性關系,雖然進口損耗隨時間不斷減小,該線性關系仍然可以采用上述關聯(lián)式進行描述。該關聯(lián)式結合簡單實驗可以直接得到進口分布器損耗的動態(tài)變化數(shù)據(jù)。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：華東理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ051.893

【參考文獻】

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本文編號：1517658