膜科学与技术

基于移动网格的超滤膜污染物截留过程动态数值模拟研究

作者：崔海航，胡晓晶，刘珺芳

单位：西安建筑科技大学环境与市政工程学院西安 710055

关键词：超滤；膜污染；数值模拟；移动网格

出版年,卷(期):页码： 2015,35(6):58-66

摘要：

区别于现有的分析解及计算流体力学（CFD）模拟手段，本文针对超滤膜组件的膜污染问题，建立了基于移动网格的CFD研究手段，在物理模型中耦合了自由流动、多孔介质流动及稀物质传递过程，并将污染物的法向截留积累量及切向剪切洗脱量与污染物界面处的网格速度相关联，随后通过中空纤维膜组件的实验，确定出了这一关联表达式中的匹配参数，实现了对截留污染物在膜面累积过程的动态模拟。在所建立的动态模型基础上，进一步研究了不同膜面形式（平板膜及波状膜）对过滤过程的影响，研究表明平板膜的剪切力分布较均匀，一段时间后膜通量显著下降；而波状膜特殊的形状使得其波峰、波谷处剪切力分布不均匀，从而具有更好的抗污染性能，能够长时间保持一定的过滤通量。这一动态模型的建立为深入地研究污染物的截留过程、开展膜组件的优化设计提供了有效手段。

Different from theexistinganalytical solutionsandthe static numericalsimulation,this paper aims atthe problem ofultrafiltration membranefouling. We establishedthe computational fluid dynamics(CFD)–based research means with moving mesh skill. The physical modelcoupled free flow, porousmedia flowanddiluted species transportprocess. Grid velocityat the pollutant interface was decided by the summing of normalaccumulationof pollutantsandthe tangentialshear elution. Then the matching parameters inthisexpressionwere determinedbya hollowfiber membrane moduleexperiments. Thedynamicsimulationprocess about retaining pollutantsonthe membrane surface was realized.On the basis ofthe established dynamicmodel,we studiedthe filtration performance with the differentmembrane surfacepattern (flat membraneandsinusoidal patterned membrane). The study showed thatthe distribution of shear stress onflatmembrane was more uniform and the fluxdecreased significantly. However, after a period of time, the specialshapesinusoidal patterned membrane generated an uneven distribution of shear stress on the peaks and valleys region, by which the betteranti-pollution performance was obtained and the membrane can maintain acertain degree offiltration fluxfor a long time. In summary, the establishedmodel provides an effectivemeans for thein-depth studyof pollutantsinterceptionprocessand optimizingdesignof the membrane module.

崔海航(1975- )，男，陕西咸阳人，博士，副教授，主要研究膜科学方向，Tel:13319206754，E-mail:cuihaihang@xauat.edu.cn.

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