作者：2016级本科生 邵瑞朋 环境学院

指导老师：黄霞 环境学院

关键词：CFD 图案化膜 水力学特性

摘要

膜分离是一种较常用的污水资源化利用技术，但常常面临膜污染问题。通过在膜表面增加各类图案（如金字塔形、三棱锥形、网格形）等，借助表面凹凸不平的形状，可以打乱了原本的层流，增进了流体的紊动，从而起到减小浓差极化、增加剪切力、抑制膜污染的作用。本章利用数值模拟的方法，从流场和剪切力两个角度解析了图案化膜表面水力学特性；然后探究了几何参数对图案化膜表面水力学特性的影响。

研究背景

膜分离技术具有着良好的应用价值，但膜分离技术仍然面临着膜污染现象等亟待解决的问题。在膜表面增加图案，可以改善膜表面的水力学特性，增加紊动，抑制污染物的沉积和生长。目前，利用数值方法解析图案化膜作用机理的研究，已经达成了一些共识：图案化膜的“波谷”区域剪切力较低，容易发生污染物的沉积；“波峰”处剪切力较高，污染物难以沉积，而通过颗粒物随流线的运动，能对这一现象做出解释。但目前数值模拟过程中所选用的指标还较单一，仅局限于流速、剪切力等，且对于图案化膜几何形态和操作条件的研究还很少，往往是给定几何形态和操作条件后进行单一的模拟。本文试图揭示图案化膜表面的水力学特性，然后探究几何参数的影响。

图1 几种典型的图案化膜形态（a:三棱锥形 b：金字塔形 c：普通平板膜）

图2  四种形态的膜表面剪切力分布（a：无图案；b：Pyramid形；c：R-Pyramid形；d：45-Pyramid形）

图案化膜抑制膜污染的机理

除了膜实际表面积增加导致表观通量增加以外，从水力学角度可以对图案化膜能够增加通量、减缓TMP上升速率的现象提供以下解释：一方面，由于涡流等作用，膜表面的平均剪切力增大，污染物更不容易沉积，减缓了膜污染速率；另一方面由于图案“波峰”区域剪切力很大，保证了一定的“清洁”区域，从而通量稳定、不易衰减。错流试验中，图案化膜的通量随时间不会衰减至零，而是会趋于稳定的原因，其结果与水力学模拟的结论相一致。

图3 图案化膜表面求解区域内流线分布图（含涡流区域放大图）

图4 图案化膜表面剪切力的分布

几何参数的影响

减小图案的宽度，可以增大平均剪切力的数值；增大图案的宽度，虽然剪切力变小，但涡流发展得更充分，剪切力分布更加均匀，因此应当在剪切力的数值和分布二者之间进行权衡，选择恰当的图案宽度；增加图案的高度，可以增大平均剪切力的数值；但当图案高度过大时，将有一部分区域无法被流体冲刷，平均剪切力反而下降，且分布不均匀。此外，当图案宽度过小而高度过大时，容易发生全局湍流化的现象，显著增加能耗，降低反应器的使用寿命，应当避免这种现象的发生。

图5  高度为H/2的样本线段上点的垂直方向分速度随x坐标的变化

图6 不同W下图案化膜表面的涡旋侧视图（a:W=200μm b:300μm c:400μm d:600μm e:750μm f:1000μm）

表1 图案化膜表面平均剪切力与图案的宽度、高度的关系（单位：Pa）

表2 图案化膜表面最大剪切力与图案的宽度、高度的关系（单位：Pa）