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基于FLUENT的中空纤维膜组件振动特性对管外传质性能影响的研究

2017/9/12    来源:互联网    作者:王士刚  刘善亮  袁涛      
关键字:中空纤维膜组件  动网格  振动  强化传质  
为提高中空纤维膜组件的传质效率,减轻浓差极化,本文运用计算流体力学软件FLUENT动网格技术,以含氧水的除氧过程为研究对象,研究了振动特性对中空纤维膜组件管外传质的影响。

    膜分离技术如今有着越来越广泛的应用。中空纤维膜组件以工艺简单、节能环保、填装分数大、分离效果优良等优点,广泛应用于膜分离的各个领域。因此近年来对中空纤维膜组件的研究越来越多。但是,中空纤维膜组件在分离的过程中由于中空纤维管排布的不均匀而导致的沟流、死区等非理想流动,膜组件在分离过程中不可避免的存在浓差极化的现象,使实际的传质效果与理想组件的预计结果有差距。而在传热领域中,利用壁面振动来强化传热的研究工作已经取得了大量的进展。比如换热管中的振动能强化传热的研究以及利用流体诱导振动原理使壁面振动强化传热的研究有了实际的应用背景,并通过可行的设计避免了振动对设备的破坏。还有旋流片支撑缩放管管束传热与流动的研究以及扭曲圆管管内传热的研究都为后来的研究工作提供了指导。针对上述情况,本文根据热质比拟的理论,将振动强化传热延伸到了传质的过程中,利用数值模拟的方法研究了振动特性对中空纤维膜组件管外传质的影响以及振动参数的变化引起的中空纤维膜组件管外传质效果的变化。

    1 计算模型及计算方法

    1.1 计算模型

    1.1.1 物理模型

    计算选用的物理模型为含氧水除氧的传质过程。如图1,中空纤维管外介质为含氧水,管内为氮气,通过纤维膜进行组分交换(中空纤维的外表面与膜组件内壁面之间的区域通常称之为管外)。中空纤维管为规则排列,装置的直径为l0mm,每根纤维管的直径为1mm,装置总长度为500mm,纤维管贯穿整个组件。

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    图1 中空纤维膜组件的物理模型及其横截面

    1.1.2 数学模型

    数值计算基于以下几点假设:①含氧水为不可压缩牛顿流体;②重力以及浮升力忽略不计;③流动过程中等温;④流体常物性;⑤中空纤维管的振动为简谐运动,运动参数取决于振幅和频率;⑥装置的振动为微幅振动,不会改变装置结构性能。

    基于上述假设,在整个计算区域内流体的动量方程以及组分扩散方程为:

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    式中,ρ是液体密度,取l000kg/m³,u,v,w分别为流体在x,y,z方向上的分量;Γ在求解动量传递方程时为粘度系数μ,取为1.005cP;求解氧气组分输运方程时为氧在水中的扩散系数D,取2.5X10-5cm²/s;SΦ为源项,k为传质系数,dh为模型的水力直径(4倍流道面积与湿周长之比),本文取12.667mm,Sh为反映对流传质强弱的无量纲舍伍德数,η为氧的清除率,表征膜组件传质效果的优良,C为氧的质量浓度。

    中空纤维管及组件外壳为弹性体,可以将两者的振动看作是振型为抛物型的简谐运动。中空纤维管的两端看作是简支约束,选取中空纤维管中间处的最大位移即为简谐运动的振幅,因此可以将中空纤维管以正弦形式视为竖直方向的简谐运动。

    基于上述假定,在如图1所示直角坐标系下,中空纤维管的运动形式为:

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    式中,x,y,z为中空纤维管坐标;t为运动时间;A为振幅;f为振动频率;L为常数,与纤维管的长度有关,本例中纤维管长度为0.5m,相应L取为0.0625。

    1.2 计算方法

    相同工况下,填充密度越大清除率越高。为了更清晰地观察振动对膜组件的传质影响,本文仅对低填充密度(5%)下且中空纤维管为规则排列的膜组件进行了计算流体力学分析。

    利用计算流体力学软件FLUENT进行数值模拟,采用非耦合的瞬态隐式格式求解。入口采用速度入口的边界条件并将入口处的浓度为1%,出口为自由出流。对于中空纤维管的外壁面浓度设置为0,即为第一类边界条件。此外,求解算法中各项的离散方法分别为压力项选用STANDARD格式,压力速度耦合选用SIMPLEC,动量方程与能量方程选用二阶迎风格式,中空纤维管的振动形式由UDF并由DEFINE_GRID_M0TI0N宏命令进行编写定义。本文选用的膜组件的振动参数为振幅分别为2mm,4mm,6mm和频率为2.5Hz,5Hz,10Hz之间的相互组合。

    2 计算结果及分析

    2.1 静止工况下膜组件的传质模拟

    在进行振动的模拟之前,为方便对比振动特性对膜组件的传质性能的影响,本文首先对静止工况下中空纤维膜组件流动和传质效果进行了模拟。

    从图2中可以看出,由于壁面采用的速度无滑移的边界条件进行处理,可以看出中空纤维管对流体流动的影响。靠近中空纤维管外壁面以及膜组件内壁面处的速度很低,存在速度边界层,层流底层的存在不利于传质的进行,因此靠近中空纤维管外壁面的氧的质量浓度很低,而越靠近膜组件内壁面的氧质量浓度高。对出口处氧的质量浓度进行质量加权平均可以得到出口处的氧的质量浓度为0.961%,清除率为3.9%。

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    图2 出口处的流体速度分布图

责任编辑:张纯子
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