計算流體力學在膜技術研究中的應用

計算流體力學在膜技術研究中的應用

1cfd的流動基本方程計算水流的方程是通過計算計算機值和圖像顯示，分析具有相關物理現(xiàn)象的系統(tǒng)，如運動流動和熱傳導。對于流動的基本方程，可以假設模擬流量。表1顯示了注射值的基本方程。計算cfd的值解方法主要包括有限元法、有限體積法、有限差分法等。常用的商業(yè)軟件包括phone、cfx、master-sd、fidap、fluent等。CFD具有工作效率高、研究試驗成本低、計算結(jié)果定量化、應用范圍比較廣等優(yōu)勢和特點.近年來,隨著計算數(shù)學和計算機技術的發(fā)展,計算流體力學作為一種新興和有效的試驗和分析手段,又越來越多地被運用到膜技術研究領域,并不斷取得新的進展.2cfd的模擬目的和邊界條件CFD在膜技術領域研究中的應用是伴隨著膜技術領域的發(fā)展需求產(chǎn)生的.隨著膜分離技術的應用日趨廣泛和研究者對膜研究的逐步深入,人們發(fā)現(xiàn)由于受物理模型實驗條件的限制,一些膜組件結(jié)構(gòu)設計機理上的問題往往只能定性,或者半定量進行,深入至機理層面系統(tǒng)而量化的研究受到阻礙.而CFD則可以很好地克服這些問題,得到的結(jié)果不僅定量化且更加精確,可為實驗設計和組件優(yōu)化、工程應用提供更可靠的科學依據(jù),并大大降低研究和實驗成本.因此,越來越多的膜技術領域研究者嘗試將CFD技術引入對膜技術的研究中來.CFD在膜技術領域的運用,比較早的是有關膜組件研究的水力學模型和其中流場運動情況的探索.1994年,Belfort總結(jié)了當時膜過濾中流體運動機理研究及進展,總結(jié)了各種數(shù)學模型的建立.而將CFD用于膜分離工藝研究的報道最近才逐漸多起來.將CFD用于膜分離工藝研究時,若要準確模擬流體的水力學狀況,就要針對每個具體模型的特殊性,建立起符合實際的邊界條件和初始條件,對膜上下游界面上的傳質(zhì)、傳熱模型進行準確的描述.因此,對邊界層的描述也經(jīng)歷了一個從簡單到復雜的過程,現(xiàn)階段CFD模擬水力學條件中的邊界條件的設定如表2所示.關于膜的初始條件的描述也不斷完善,從早期將膜視為不可滲透壁面,到后來將膜作為多孔壁面進行處理;更是有一些學者運用CFD模擬了邊界層速度分布和濃度分布,對邊界層條件研究更為深入.隨著流體力學模型的不斷完善,CFD在膜技術領域中的運用越來越多,主要運用在膜污染機理的研究、膜組件及反應器的設計優(yōu)化、水力條件的模擬.而隨著膜生物反應器這一生化技術的蓬勃發(fā)展,特別是其在環(huán)境工程中應用的發(fā)展,一些學者也嘗試將CFD技術運用到膜生物反應器的研究中,從而為膜生物反應器的構(gòu)型和水力條件優(yōu)化研究提供了科學依據(jù).本文將在以后章節(jié)較詳細論述CFD技術在膜生物反應器技術研究中的應用情況.國內(nèi)運用CFD技術,開展在膜技術領域中的研究工作起步較晚,研究報道較少.2005年,谷芳等通過CFD計算模型水力學模擬,定量描述了氣、液兩相逆流降膜傳質(zhì)過程.何娟娟、員文權、劉百倉等就CFD技術在膜技術中的研究應用進行了綜述,分別側(cè)重介紹了其在氣體分離膜、反滲透膜和湍流促進器中的研究應用.3cpd在膜組件設計和優(yōu)化研究中的應用3.1平板膜組件設計一些學者以平板膜為研究對象,運用CFD進行了一系列模擬研究.例如Darcovich等運用CFD軟件包設計了一個窄流道的平板陶瓷膜組件,研究者設計時充分考慮了膜組件長、寬、高和進水口位置等設計參數(shù),同時考慮了錯流速率等操作參數(shù),減少了膜組件表面流動的不均勻性,減小了有效過濾區(qū)域的壓降,得到了優(yōu)化的平板膜組件.還有學者對膜孔幾何形狀和尺寸的設計進行了優(yōu)化,提出狹長的膜孔過濾能力優(yōu)于圓形膜孔,與臨界通量相聯(lián)系起來,為膜孔的設計提供了有效的參考.Richardson等提出一個既適用于平板膜,又適用于曲面膜的二維模型,可以再現(xiàn)復雜幾何域中溶質(zhì)濃度情況,對量化分析錯流過濾提供了新的技術手段.此外,這些模型還將物理因素與膜污染狀況聯(lián)系起來.3.2對于隔網(wǎng)進行設置和運行除了平板膜之外,許多學者利用CFD對螺旋卷式膜組件進行了模擬和設計優(yōu)化.例如Belhouse等將CFD運用到了螺旋卷式膜組件中過濾介質(zhì)流動狀況的模擬上.Bubolz等研究了迪恩漩渦在螺旋卷式膜組件中對膜通量的影響.通過計算流體力學模擬,揭示了次級流通過增加壁面剪應力和增強流體邊界層和主流體之間的傳質(zhì)過程而減少顆粒物在膜表面的沉積的作用.此外,卷式膜組件中膜之間設置有隔網(wǎng),可以增大流體的湍流強度,產(chǎn)生二級流,增大剪切力,有助于增加漩渦,增加傳質(zhì),減緩濃差極化的形成.但是隔網(wǎng)較細,它的存在也會導致流體壓降的增大,流場不穩(wěn)定,出現(xiàn)局部短路、溝流和死區(qū)等.因此,對隔網(wǎng)進行優(yōu)化從而提高膜分離效率,也是CFD模擬的一個重要研究方向.現(xiàn)有研究主要從隔網(wǎng)的形狀和設置位置兩方面對其進行了優(yōu)化.除平板膜與螺旋卷式膜之外,還有一些學者研究了管式膜組件和中空纖維膜組件中的流體流動情況,為這些膜組件的優(yōu)化提供了設計依據(jù).4濃差極化的模擬研究膜污染是制約膜技術應用發(fā)展的一個瓶頸,關于膜污染機理的研究一直是膜技術領域研究的熱點.在膜濃差極化和濾餅層形成的研究中,CFD研究結(jié)果具有精確、量化和更具說服力的特點.例如Lee等提出了一個錯流過濾模型,通過研究膠體沉積情況,較精確地描述了過濾中膜通量下降的基本機理,并且可以通過該模型研究各種操作參數(shù)(顆粒尺寸、來水濃度、錯流速度)對工藝系統(tǒng)運行的影響.研究者同時進行了一個錯流過濾實驗和一個死端過濾實驗來驗證模擬的準確性,發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與錯流過濾實驗結(jié)果吻合良好.然而他們的模型也存在一定的局限性,如泥餅層阻力這一參數(shù)需要從死端過濾實驗中獲取.Wiley等也做過類似研究,提出了濃差極化的一個普遍適用模型.此外,一些學者對濃差極化現(xiàn)象中阻力變化的影響,壁面滑移的影響,不同物性溶質(zhì)的影響進行了研究.這些研究在某些情況下可以較準確地預測膜工藝的運行情況,然而由于模擬均進行了一定程度上的簡化,多為層流條件下的模擬,不具有普遍性意義.為了適應更復雜的流體情況,一些研究者在湍流條件下對膜污染及傳質(zhì)機理進行了模擬.例如Pellerin等在湍流條件下對膜傳質(zhì)進行了二維模擬.通過添加傳質(zhì)與擴散平衡方程,對不同濃度和擴散系數(shù)下的膜分離情況進行了模擬,研究發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)和施密特數(shù)是控制溶質(zhì)濃度梯度的關鍵因素.Ahmad等也有類似的結(jié)論,他們通過CFD商業(yè)軟件包中的FLUENT軟件對不同條件下濃差極化分布曲線、傳質(zhì)系數(shù)和壁面剪應力進行模擬,得出雷諾數(shù)及壁面剪應力增大可以減緩濃差極化現(xiàn)象的結(jié)果.有一些學者對膠體分散系進行了更為細致的模擬,例如Bacchin等通過膜表面由引力和斥力引起的相互反應,將膠體分散系與模型的物化特性相結(jié)合起來進行數(shù)值模擬,得到了與實驗擬合較好的結(jié)果.5膜生物反應器的物理模型膜生物反應器是將生物技術和膜分離技術相結(jié)合的一種生物化學反應器,在水處理及中水回用領域的應用越來越廣泛,膜生物反應器的設計涉及到膜污染、工藝運行穩(wěn)定、成本和能耗等問題,重要性不言而喻.而以往的膜生物反應器大多只從生物動力學和膜污染角度考慮,靠一些經(jīng)驗方法來進行研究和設計,對水力條件的優(yōu)化研究較少,對MBR研究模擬的物理模型如表3所示.而隨著CFD技術的出現(xiàn),近來已經(jīng)有一些學者運用CFD為膜生物反應器的優(yōu)化開展研究工作和提供優(yōu)化的設計參數(shù),與現(xiàn)有的MBR物理模型相結(jié)合,能夠更好的描述MBR工藝情況.MBR物理模型列于表3.5.1u3000結(jié)u3000u3000u3000u3000u3000范圍按生物反應器與膜單元組合方式,膜生物反應器可分為外置式MBR和浸沒式MBR.外置式MBR膜組件與生物反應器分開設置,膜的壓力驅(qū)動是靠加壓泵.浸沒式MBR將膜組件置于生物反應器內(nèi),微生物在曝氣池中好氧降解有機污染物,出水通過負壓抽吸或利用液位差產(chǎn)出,得到過濾液.Brannock等通過CFD軟件中的mixture模型模擬了外置式和浸沒式流速分布和氣體分布情況,更直觀的表征了兩種構(gòu)型的水力學條件.如圖1所示,從流速分布截面圖可以看出外置式MBR中上升流較多,內(nèi)循環(huán)較多,而浸沒式MBR內(nèi)循環(huán)較少,存在較多的死區(qū)和短流.為了驗證這一模擬結(jié)果,作者引用了Burrows等做的停留時間分布(residencetimedistribution,簡稱RTD)表,與模擬結(jié)果吻合,即浸沒式MBR比外置式MBR存在更多的死區(qū)和短流.此外,他通過CFD模擬發(fā)現(xiàn)反應器進水口的位置對內(nèi)部循環(huán)的影響很大,與設在反應器中部相比,將進水口位置設在接近反應器底部更能使整個系統(tǒng)接近完全混合流態(tài),避免出現(xiàn)短流和死區(qū).與Brannock類似,Saalbach等也采用mix-ture模型對進水口進行了模擬研究.與前者不同的是他研究的范圍為中試規(guī)模,且主要研究了三種形式的進水口布置:均勻分布進水口,集中式進水口以及四進水口布設.他得出的結(jié)論是四進水口時流態(tài)分布最優(yōu),各個組件的負荷比較均勻.5.2膜組件安裝不當液體循環(huán)速度是指反應器中混合液循環(huán)流動的平均速度.流體在反應器內(nèi)作有規(guī)則的循環(huán)流動,循環(huán)液速是衡量反應器流動特性的重要參數(shù).Prieske等通過CFD商業(yè)軟件中的CFX軟件,采用Eulerian–Eulerian模型研究模擬得出結(jié)論,氣升循環(huán)膜生物反應器內(nèi)循環(huán)流速的大小取決于膜組件的形(長度、厚度以及間距等)和氣泡大小.他發(fā)現(xiàn)安放膜組件后反應器內(nèi)氣含率明顯降低,下降流中氣泡較少,如圖2所示.分析原因是由于膜組件存在的阻力,導致液體循環(huán)流速下降.同時膜組件的間距大小會影響氣含率的大小,較大的膜組件間距(9mm)將縮小上升流和下降流之間氣含率的差值.此外,氣泡尺寸對循環(huán)流速也有影響.小氣泡(直徑1mm)導致上升流和下降流的氣含率接近,循環(huán)流速下降;而大氣泡(直徑3mm)可以得到更高的循環(huán)流速,對膜表面的沖刷更為有利.Li等也有類似結(jié)論,氣泡尺寸較大(直徑12mm)時膜表面剪切力最大.不同的是,他更深入的考慮了氣泡尺寸分布均勻情況,以及是否有氣泡聯(lián)合或打碎現(xiàn)象發(fā)生等.Nicolas等還研究了剪切力與氣速的關系.通過他的研究,如果知道從泥餅層上去除顆粒需滿足的最小剪切力值和沖洗時間,就可用他總結(jié)的剪切力累積分布頻率圖法優(yōu)化剪切力分布.作者假定去除顆粒的最小剪切力為7.5Pa.Jankhah等則研究了浸沒式中空纖維膜表面剪切力分布情況,研究得出在膜絲根部呈緊密固定,松散放置以及搖擺三種狀態(tài)時,其中膜絲呈搖擺狀態(tài)時,膜絲相互接觸,剪切力最高.且剪切力的分布隨曝氣方向沿膜絲逐漸增大,在接近液面處達到最大值.5.3反應器內(nèi)水力學特性小Nicolas等還對浸沒式中空纖維膜生物反應器中的流態(tài)進行了模擬.從圖3(b)可以看出,氣泡軌跡傾向于流向膜組件中心位置,然后在膜組件頂端散開.從(c)圖中可以看出在貼近反應器壁面附近,存在一些內(nèi)循環(huán).如果不是采用CFD進行研究,這些結(jié)果在透明的試驗反應器裝置中可以觀察到,但在實際工程中是難以觀察,且反應器中的流速分布也是難以測得的.國內(nèi)也有一些學者做了類似研究,例如2008年,韓杰等用FLUENT軟件中的多相流Eulerian模型,對曝氣場內(nèi)部的流態(tài)進行了模擬分析,結(jié)果得到包括氣液兩相多個截面的速度場及局部氣含率分布等信息,為反應器內(nèi)水力學研究提供了依據(jù).5.4超濾膜組件的節(jié)涌流模型研究者已經(jīng)達成一個共識,即通過向反應器內(nèi)注入空氣,產(chǎn)生氣液兩相流可以有效的增大剪切力,起到對膜的沖刷效果,是一種減緩膜污染的有效手段.因為向反應器內(nèi)注入空氣,可以增大膜表面錯流速率,促進邊界層的懸浮物更加迅速地返回主體溶液,減緩膜表面濾餅層及濃差極化層的形成,增大膜通量.但是關于氣液兩相流增大膜通量的具體機制卻并不明確,因此一些研究者試圖借助CFD對此問題進行探討.其中,Ghosh等總結(jié)了氣液兩相流的幾種基本形式,并提出了節(jié)涌流的三區(qū)傳質(zhì)模型,參見圖4.Taha等也有關于節(jié)涌流的研究,他們用Fluent軟件中VOF(VolumeofFluid)多項流模型模擬了超濾管式膜組件中的節(jié)涌流,從機理上闡述了節(jié)涌流使膜通量增加的原理.Nicolas等用CFD軟件包中的fluent軟件對X-FLOW管式膜組件進行了水力學模擬,膜組件中氣體分布如圖5所示.在膜組件入口處,由于氣體和污泥懸浮液同時進入膜組件,存在著兩相的混合現(xiàn)象.在接近出口處可以觀測到氣泡形狀接近節(jié)涌流所描述的形狀(子彈狀).Ndinisa等則描述了單個氣泡的上升情況,通過模擬得到了氣泡的形狀和最終速度.模擬所得的氣泡形狀與Nicolas等人研究類似,如圖6所示,氣泡前邊緣呈扁球狀,尾部向內(nèi)凹陷.作者通過VOF模型得到的氣泡最終流速為0.14m/s,通過歐拉兩相流模型得到的氣泡最終流速為0.119m/s,與實驗測定值0.131m/s誤差均在8%以內(nèi).此外,關于模型的選取方面作者提出可以運用VOF模型和歐拉模型的聯(lián)合模型來模擬氣泡.VOF模型可以很好的模擬氣泡周圍的流速值和氣泡的最終形狀,但是由于氣液的強烈混合使該模型在尾跡區(qū)的模擬失效.而歐拉兩相流模型中由于把氣相定義為擴散相,且氣泡尺寸較大,避免了由于重力產(chǎn)生的混合現(xiàn)象,因此可以描述尾跡區(qū)情況,但是對氣泡周圍的模擬不如前者.因此將兩種模型聯(lián)合使用,可以很好地描述整個過程.現(xiàn)有研究多是對節(jié)涌流的描述,然而實際操作中很多采用平板式或簾式膜組件的MBR中很難實現(xiàn)節(jié)涌流,氣泡大多呈橢圓狀或球帽狀,這類MBR中膜通量增加的機理與外置式大不相同.而關于這類氣泡的模擬和研究數(shù)據(jù)還很缺乏,因此對這類MBR中氣泡的研究很有必要.6討論與展望6.1實驗模型的建立1)直觀性.CFD模型可以通過一些圖片、圖表和動畫等將反應器中水力學情況形象的展示在研究者面前.可以直觀觀察到氣泡運動軌跡、反應器內(nèi)流體流態(tài)以及是否存在死區(qū)、短流等現(xiàn)象.2)定量化.通過CFD模擬可以直接得到氣泡的最終速度、邊界層濃度分布、反應器內(nèi)各點流速大小等的具體數(shù)值,比傳統(tǒng)實驗手段得來的定性描述更具說服力.3)高效性.當最初模型確定后,可以通過簡單的設置改變某一參數(shù),從而完成大量實驗.6.2關于理論問題1)研究運用有待開發(fā)和拓展.如,由于膜生物反應器