張雅琴 ，張 林 ，侯立安 ，2

(1.浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系，杭州 310027；2.第二炮兵后勤科學(xué)技術(shù)研究所，北京 100011）

計(jì)算流體力學(xué)在水處理膜過(guò)程中的應(yīng)用

張雅琴1，張 林1，侯立安1，2

(1.浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系，杭州 310027；2.第二炮兵后勤科學(xué)技術(shù)研究所，北京 100011）

本文介紹了計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在膜分離過(guò)程模擬中的基本原理，對(duì)CFD在壓力膜驅(qū)動(dòng)過(guò)程組件設(shè)計(jì)、傳質(zhì)和膜污染過(guò)程研究方面的應(yīng)用和CFD在具有相變膜過(guò)程（滲透汽化、膜蒸餾）以及其他膜過(guò)程中的應(yīng)用分別進(jìn)行了綜述，最后對(duì)CFD在膜分離技術(shù)研究中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

計(jì)算流體力學(xué)；膜分離；壓力驅(qū)動(dòng)；滲透汽化；膜蒸餾

1 前言

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是以Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)，把原來(lái)在時(shí)間和空間上連續(xù)的物理量用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量集合來(lái)替代，得到流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況。CFD技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)、物理、流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算、可視化技術(shù)等多學(xué)科，這些學(xué)科的知識(shí)綜合起來(lái)，可以提供建立流體流動(dòng)模型的方式和方法，其計(jì)算方法主要包括有限元法、有限體積法、有限差分法[1]。與實(shí)驗(yàn)手段相比，CFD技術(shù)具有精確、效率高、成本低，可以模擬真實(shí)及理想條，后處理技術(shù)較完善，便于分析計(jì)算結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)。

膜技術(shù)被稱為“21世紀(jì)的水處理技術(shù)”，在水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而隨著對(duì)膜技術(shù)研究的逐步深入，人們發(fā)現(xiàn)由于受物理模型實(shí)驗(yàn)條件的限制，一些膜組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題往往只能夠定性或者半定量進(jìn)行，深入至機(jī)理層面的系統(tǒng)而量化的研究受到阻礙；此外，對(duì)于影響膜分離效率和穩(wěn)定性的傳質(zhì)、傳熱機(jī)理以及膜污染機(jī)理的研究也受限于實(shí)驗(yàn)條件。CFD技術(shù)可以很好地克服這些問(wèn)題，得到的結(jié)果定量化準(zhǔn)確性高，可為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和組件優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)于組件內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)可以進(jìn)行可視化模擬。因此，越來(lái)越多的膜技術(shù)領(lǐng)域研究者嘗試將CFD技術(shù)引入到膜技術(shù)的研究中[2，3]。

2 模擬原理

常規(guī)流體過(guò)程的CFD是在質(zhì)量、動(dòng)量和能量三大守恒定律的基礎(chǔ)上，通過(guò)解流體力學(xué)三大方程得到對(duì)變量的表述。而膜分離過(guò)程除了有流體流動(dòng)還涉及到溶質(zhì)和溶劑分離的問(wèn)題，因此CFD應(yīng)用于膜分離技術(shù)需要在三大守恒方程的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮溶質(zhì)傳遞方程。若要準(zhǔn)確模擬膜分離過(guò)程中流體的水力學(xué)狀況，就要針對(duì)每個(gè)具體模型的特殊性，建立起相符的邊界條件和初始條件以及可以準(zhǔn)確描述膜上下游界面的傳質(zhì)、傳熱模型。在模擬膜分離過(guò)程中，常用的邊界條件如表1所示[4]。對(duì)于存在隔網(wǎng)的膜組件，由于隔網(wǎng)單元具有周期性，會(huì)導(dǎo)致膜組件內(nèi)部流場(chǎng)的周期性分布，故一些研究者為了減小計(jì)算量采用了周期性邊界條件，大大減小了計(jì)算強(qiáng)度。此外，關(guān)于膜邊界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(lái)將膜作為多孔壁面進(jìn)行處理；也有一些學(xué)者將膜過(guò)程的傳質(zhì)、傳熱模型與CFD進(jìn)行耦合作為膜的邊界條件。

表1 膜分離過(guò)程中常用的邊界條件Table 1 Typical boundary condition in membrane process

3 CFD在膜技術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在過(guò)去的數(shù)年里，CFD在水處理膜過(guò)程領(lǐng)域應(yīng)用的研究主要集中在壓力驅(qū)動(dòng)膜過(guò)程（超濾、納濾、反滲透）的組件優(yōu)化設(shè)計(jì)以及流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)情況（濃差極化和膜污染）方面。最近，將CFD技術(shù)用于具有相變過(guò)程的膜分離技術(shù)傳質(zhì)、傳熱過(guò)程以及其他新型膜過(guò)程（生物膜反應(yīng)器、正滲透等）的研究報(bào)道也逐漸多起來(lái)。

3.1 壓力驅(qū)動(dòng)膜過(guò)程

3.1.1 CFD在膜污染機(jī)理研究中的應(yīng)用

膜污染是造成壓力驅(qū)動(dòng)膜組件運(yùn)行失常和限制其進(jìn)一步廣泛應(yīng)用的主要因素。廣義膜污染不僅包括膜孔阻塞引起的不可逆污染，還包括由濃差極化和凝膠層形成的可逆污染。當(dāng)截留物（主要包括無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物、膠體以及細(xì)菌等）在膜表面沉淀與積累，使水透過(guò)膜的阻力增加，妨礙了膜面上的溶質(zhì)擴(kuò)散，從而導(dǎo)致膜產(chǎn)生量和水質(zhì)下降。在膜污染研究中，CFD研究結(jié)果具有精確、量化和更具說(shuō)服力的特點(diǎn)。

CFD技術(shù)應(yīng)用于膜污染機(jī)理研究時(shí)，需要將CFD模型與膜污染模型耦合求解。早期的研究將膜視為簡(jiǎn)單的平面，研究流場(chǎng)以及傳質(zhì)對(duì)膜污染形成的影響。Kapellos[5]、Schulenburg[6]等在研究中將膜視為多孔介質(zhì)，模擬了膜污染的形成。

然而，將滲透膜假設(shè)為不可滲透的膜平面或者處理為多空介質(zhì)與真實(shí)膜性能存在很大的差異性，因此，后來(lái)有研究者將膜的傳質(zhì)模型與CFD耦合，用來(lái)模擬真實(shí)的膜污染和傳質(zhì)過(guò)程。其中，Pinho[7]等將納濾傳質(zhì)模型與CFD模型進(jìn)行耦合，并且在納濾傳質(zhì)模型中考慮溶質(zhì)—溶劑—膜之間的相互作用力，通過(guò)CFD模擬的邊界層定義，同時(shí)將滲透通量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維模擬獲得截留率和流體濃度分布狀況，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

Ahmad[8，9]等利用薄膜理論定義了滲透膜邊界條件，利用非平衡熱力學(xué)傳質(zhì)模型定義了滲透膜通量，對(duì)卷式納濾膜滲透過(guò)程進(jìn)行了二維模擬。模擬中他們認(rèn)為上壁面是無(wú)滑移的不可滲透壁面，只將下壁面作為可滲透的壁面（見圖1）。采用用戶自定義函數(shù)UDF將納濾傳質(zhì)模型和CFD邊界條件進(jìn)行耦合，以此模擬膜表面濃度變化曲線，克服了CFD商業(yè)軟件的限制，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)膜表面的溶質(zhì)濃度變化。然而，該研究把上膜面作為非滲透性膜以減小CFD計(jì)算的復(fù)雜程度，這樣的假設(shè)與實(shí)際卷式膜組件中的上、下均為滲透性膜的情況不一致，并且該模擬在卷式膜組件的幾何模型上也作了較大簡(jiǎn)化，所以模擬結(jié)果具有一定的局限性。因此，建立更加完整和真實(shí)的物理模型和幾何模型，結(jié)合CFD計(jì)算模擬是深入研究卷式膜過(guò)程的重要途徑。

圖1 薄膜理論中的邊界條件和濃差極化厚度[8]Fig.1 Boundary condition and concentation in modified film theroy[8]

上膜邊界條件（非滲透性）：

式（1）中，u為x方向的速度，m/s；v為y方向的速度，m/s；mA為溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

下膜邊界條件（納濾膜）：

式(2)中，Jv為滲透通量，m/s；DAB為雙向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；mAc為模擬區(qū)域緊挨納濾膜表面的單元格質(zhì)心處的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；R為截留率；R′為透鹽率，1-R；δc為下膜表面單元與相鄰單元質(zhì)心之間的距離，m。

其中，Jv由Spiegler-Kedem模型確定：

式(3)中，Lp為水力學(xué)系數(shù)，m/(Pa?s)；P為跨膜壓力，Pa；mAw為壁面附近的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；γ為滲透壓常數(shù)，Pa；σ為折射系數(shù)。

我們發(fā)現(xiàn)，雖然近年來(lái)CFD模擬在膜污染研究中取得了一些進(jìn)展，但是由于膜污染過(guò)程的復(fù)雜性，目前的模擬結(jié)果還難以較為真實(shí)地模擬膜污染過(guò)程。同樣，對(duì)于CFD在納濾和反滲透壓力驅(qū)動(dòng)的膜過(guò)程傳質(zhì)研究中，膜傳質(zhì)模型的選擇主要集中在非平衡熱力學(xué)方面，不能全面、準(zhǔn)確地描述不同體系的真實(shí)傳質(zhì)過(guò)程。因此需要針對(duì)各類膜污染以及傳質(zhì)機(jī)理等建立有效的CFD耦合模型，對(duì)機(jī)理進(jìn)行深入研究。

3.1.2 CFD在膜組件隔網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中的應(yīng)用

在實(shí)際工程操作中，人們經(jīng)常在膜組件中設(shè)置隔網(wǎng)作為湍流強(qiáng)化器，增加流體湍流強(qiáng)度，產(chǎn)生二級(jí)流，增大膜表面的剪切力，提高傳質(zhì)效率，從而減小濃差極化和膜污染現(xiàn)象。同時(shí)由于隔網(wǎng)的存在，增加了流體阻力，引起壓降增加，加大了能耗，并且可能出現(xiàn)局部溝流、死區(qū)等，如何優(yōu)化膜組件中的隔網(wǎng)成為研究者們感興趣的問(wèn)題。

一些研究者認(rèn)為隔網(wǎng)的距離對(duì)流道中流體流動(dòng)以及漩渦具有較大影響，并對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。例如Cao[10]等用CFD模擬了湍流狀態(tài)下橫截面方向設(shè)置原料間隔器對(duì)場(chǎng)分布的影響，并給出速度場(chǎng)，剪切力，剪切力場(chǎng)和湍動(dòng)能分布圖。發(fā)現(xiàn)合理設(shè)置原料間隔器及其之間的距離對(duì)提高膜性能有效：適當(dāng)?shù)販p小原料間隔器之間的距離，可以減小剪切力峰值間的距離，增加漩渦，從而提高膜表面的傳質(zhì)；但另一方面，會(huì)增大壓力降，從而增加成本。因此他們建議從考慮合理的原料間隔器的間距和適當(dāng)?shù)貕航翟O(shè)置的思路來(lái)優(yōu)化原料間隔器位置的設(shè)置。

此外，人們發(fā)現(xiàn)除了間隔器距離，隔網(wǎng)的形狀同樣會(huì)對(duì)膜組件內(nèi)流體流動(dòng)產(chǎn)生一定影響。Ahmad[11]等采用CFD技術(shù)對(duì)矩形、圓形和三角形隔網(wǎng)細(xì)絲(見圖2)的流道中均產(chǎn)生不穩(wěn)定漩渦的情況進(jìn)行研究，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同的雷諾數(shù)下三種不同形狀的隔網(wǎng)產(chǎn)生漩渦的情況有所不同。

圖2 隔網(wǎng)細(xì)絲形狀和尺寸[11]Fig.2 Shape and dimension of spacer filaments[11]

目前，在膜組件的隔網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，研究者們大部分的研究集中于形狀簡(jiǎn)單的單層隔網(wǎng)的CFD研究，對(duì)于形狀復(fù)雜的雙層隔網(wǎng)或者多層隔網(wǎng)的研究則較少。

3.2 CFD在滲透汽化和膜蒸餾技術(shù)研究中的應(yīng)用

與壓力驅(qū)動(dòng)膜過(guò)程不同，具有相變的膜過(guò)程存在著明顯的溫差現(xiàn)象，過(guò)程中的傳質(zhì)與傳熱共同作用導(dǎo)致了溫差極化。因此，具有相變的膜過(guò)程性能和效率受濃差極化和溫差極化的共同影響，在相應(yīng)CFD研究中，研究傳質(zhì)過(guò)程的同時(shí)也需要對(duì)過(guò)程的傳熱進(jìn)行研究。

3.2.1 CFD在滲透汽化技術(shù)研究中的應(yīng)用

滲透汽化分離技術(shù)是利用液體混合物中組分在致密膜中溶解擴(kuò)散性能不同實(shí)現(xiàn)分離的膜技術(shù)。具有分離效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在水處理應(yīng)用中也備受關(guān)注。

在滲透汽化理論傳質(zhì)研究中普遍認(rèn)為，與原料側(cè)和膜本身的傳質(zhì)阻力相比，氣相側(cè)的傳質(zhì)阻力可以忽略，并且由于滲透汽化具有相變的特點(diǎn)，因此在建立CFD計(jì)算模型時(shí)只考慮膜上游側(cè)液體的傳質(zhì)情況，并主要依賴于溶解-擴(kuò)散機(jī)理。

Sean[12]等模擬滲透汽化平板膜器的狹窄流道內(nèi)雙組分的傳質(zhì)。在建立物理模型時(shí)假設(shè)：溶質(zhì)溶解于膜的過(guò)程速度很快；與液體邊界層的傳質(zhì)阻力相比，來(lái)自膜的傳質(zhì)阻力很?。荒B透?jìng)?cè)氣相的傳質(zhì)忽略不計(jì)。從而只對(duì)膜上游流道建模計(jì)算，采用膜上游面的擬一階化學(xué)反應(yīng)機(jī)理來(lái)描述溶質(zhì)濃差極化現(xiàn)象，并將此作為計(jì)算的一個(gè)邊界條件。采用Fluent6.0軟件模擬膜器內(nèi)的流動(dòng)，得到流道內(nèi)的速度分布和狹窄膜通道濃度邊界層的溶質(zhì)濃度分布。他們還研究了膜器中擋板高度對(duì)增加傳質(zhì)的影響，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滲透汽化過(guò)程的平均傳質(zhì)系數(shù)隨著擋板高度的增加而增加。

在滲透汽化傳熱研究方面，Gert[13]等利用CFD模擬陶瓷滲透汽化膜過(guò)程中的溫差極化現(xiàn)象，結(jié)果表明溫差極化會(huì)導(dǎo)致明顯的黏度梯度，因此嚴(yán)重影響傳質(zhì)效率。此外，Gert[14]還利用CFX4.2軟件包計(jì)算三維管式滲透汽化膜器的二級(jí)流分布和溫度分布，并與超音速計(jì)算機(jī)X線斷層攝影術(shù)測(cè)量的溫度分布相比較，計(jì)算結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)吻合良好。

從以上CFD在滲透汽化膜過(guò)程中的研究中不難發(fā)現(xiàn)，大部分研究者只考慮原料側(cè)的操作參數(shù)以及原料側(cè)傳質(zhì)過(guò)程的研究，忽略了滲透?jìng)?cè)的傳質(zhì)阻力，然而滲透?jìng)?cè)的傳質(zhì)阻力卻真實(shí)存在。因此，我們需要建立完整的滲透汽化過(guò)程物理模型進(jìn)行CFD模擬，才能對(duì)過(guò)程進(jìn)行更加全面和準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)和分析。

3.2.2 CFD在膜蒸餾技術(shù)研究中的應(yīng)用

膜蒸餾作為一種新型的膜分離技術(shù)，在海水淡化、廢水處理等方面具有廣泛研究。根據(jù)對(duì)膜冷凝側(cè)蒸汽冷凝方式的不同，膜蒸餾可分為：直接接觸式膜蒸餾（DCMD）、氣隙式膜蒸餾（AGMD）、氣掃式膜蒸餾（SGMD）和真空膜蒸餾（VMD）。

膜蒸餾是一種熱驅(qū)動(dòng)過(guò)程，其推動(dòng)力是疏水膜材料兩側(cè)的蒸汽壓差。膜蒸餾過(guò)程除了受濃差極化的影響，溫差極化更大程度上限制了該過(guò)程的效率。因此，在CFD研究中常常需要將傳質(zhì)與傳熱過(guò)程進(jìn)行耦合。

CFD在膜蒸餾研究中的應(yīng)用主要集中在直接DCMD，這是因?yàn)橄啾扔谄渌N膜蒸餾過(guò)程，DCMD組件無(wú)需額外的冷凝設(shè)備，過(guò)程傳質(zhì)阻力小，因此被廣泛研究。Shirazian[15]等利用CFD對(duì)DCMD中水蒸汽在微孔膜中的傳遞過(guò)程進(jìn)行模擬，主要考察了不同操作參數(shù)如氣體流速、液體流速以及氣相濕度等對(duì)膜過(guò)程性能的影響。從模擬結(jié)果可以看出，氣體流速越大，膜蒸餾的效率越高，這是由于大的氣體流速能夠避免過(guò)程達(dá)到熱力學(xué)平衡。此外，他們還研究了膜結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)膜材料的孔隙率和曲率之比對(duì)膜性能沒(méi)有顯著影響。

Yu[16]利用CFD對(duì)層流狀態(tài)下的DCMD過(guò)程中傳熱和傳質(zhì)過(guò)程做了模擬研究。將潛熱耦合進(jìn)熱量平衡方程建立了二維傳熱模型，結(jié)合Navies-Stokes方程，對(duì)逆流流型下的熱邊界層厚度、膜壁溫度、溫度極化系數(shù)（TPC）、局部換熱系數(shù)、局部質(zhì)量通量以及熱效率進(jìn)行預(yù)測(cè)，膜通量和膜面溫度相關(guān)的中空纖維膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。Shirazian[17]等也用CFD對(duì)錯(cuò)流平板膜蒸餾裝置的傳質(zhì)與傳熱過(guò)程進(jìn)行了模擬。他們將膜孔內(nèi)的努森擴(kuò)散和黏性流模型與CFD模型耦合，能較為準(zhǔn)確地模擬了微孔膜內(nèi)的流體流動(dòng)狀況。模擬結(jié)果表明，在靠近膜表面區(qū)域，溫度差異性非常顯著，這是由于在膜表面存在著溫度邊界層（見圖3）。

圖3 直接接觸式膜蒸餾過(guò)程中的溫度分布[17]Fig.3 Temperature distribution in direct-contact membrane distillation[17]

此外，CFD在真空膜蒸餾過(guò)程研究中的應(yīng)用也逐漸變多。Tang[18]等采用CFD的離散相模型模擬了VMD濃縮NaCl水溶液的過(guò)程。模擬中將膜材料作為多孔介質(zhì)處理，用UDF定義了水蒸汽蒸發(fā)過(guò)程，研究了多孔材料內(nèi)部的質(zhì)量傳遞和熱量傳遞過(guò)程。此外，他們還通過(guò)模擬計(jì)算得到了不同溫度下的氣相體積分?jǐn)?shù)。在該模擬中，作者合理地將微孔膜材料定義為多孔介質(zhì)，一定程度上體現(xiàn)了膜的滲透性能。另一方面，他們采用CFD中的氣液離散相模型有效地模擬了料液溫度對(duì)VMD過(guò)程傳質(zhì)和滲透效率的影響。

目前，CFD模擬在膜蒸餾過(guò)程傳質(zhì)、傳熱以及組件優(yōu)化設(shè)計(jì)方面取得了一些進(jìn)展，但不難發(fā)現(xiàn)這些研究大部分集中在DCMD、VMD次之。而在另外兩種膜蒸餾過(guò)程，AGMD和SGMD中的研究則十分少見。因此，結(jié)合CFD模擬進(jìn)行相應(yīng)過(guò)程的研究對(duì)深入和全面了解膜蒸餾過(guò)程是十分有必要的。

在膜蒸餾組件優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，CFD的應(yīng)用主要集中在組件中的隔網(wǎng)以及組件形狀對(duì)流體流動(dòng)影響的研究中。Shakaib[19]等用CFD考察了有隔網(wǎng)的膜蒸餾流道中瞬時(shí)流動(dòng)和溫度分布。在雷諾數(shù)較大的情況下，瞬變流動(dòng)出現(xiàn)在隔網(wǎng)后面，并且沿著流道逐漸消失。這種非穩(wěn)態(tài)行為導(dǎo)致了局部溫度和換熱系數(shù)隨著時(shí)間變化。Yang[20]等利用CFD考察了一系列不同形狀的中空纖維膜蒸餾組件對(duì)DCMD性能的影響，模擬結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的圓柱型中空纖維膜組件相比，齒輪型纖維膜組件具有最大的溫差極化系數(shù)和膜通量，交替波浪型中空纖維膜組件次之。這種改造之后的膜組件之所以能提高性能，是由于其結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的二級(jí)流，從而提高膜表面的湍動(dòng)和迅速更新。

從上述研究我們可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是添加隔網(wǎng)還是改變組件的彎曲度，都能夠在一定程度上增加組件內(nèi)部流體流動(dòng)的湍動(dòng)情況，這是提高膜蒸餾過(guò)程傳質(zhì)和傳熱的重要途徑。在膜蒸餾強(qiáng)化傳質(zhì)的研究中，除了膜組件優(yōu)化設(shè)計(jì)外，超聲、鼓泡以及非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)等方式均能增加一定的流體湍動(dòng)情況。然而，單純地實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不能深入了解這些方式對(duì)流體流動(dòng)的具體作用，因此CFD技術(shù)在這方面的研究仍然存在很大的應(yīng)用潛力。

3.3 CFD在其他膜過(guò)程中的應(yīng)用

除了上述的膜分離技術(shù)外，近年來(lái)隨著膜技術(shù)的發(fā)展，其他膜分離技術(shù)，如膜生物反應(yīng)器、正滲透等膜分離技術(shù)也得到廣泛的研究和進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用。在這些過(guò)程機(jī)理和組件設(shè)計(jì)的研究中，CFD模擬同樣具有很大作用并具有相關(guān)的應(yīng)用。

于艷[21]等用歐拉模型研究了玻璃纖維管式膜生物反應(yīng)器內(nèi)的水力學(xué)特征，定量得到了膜面水流流速、膜面剪切力、質(zhì)量流率等參數(shù)，實(shí)測(cè)流速與模擬的流速在膜單元流場(chǎng)混合充分處較為吻合。研究了不同布置高度膜組件膜面流速和剪切力分布情況，得出膜組件距離底部曝氣器有一個(gè)最佳區(qū)域，在此位置時(shí)水力循環(huán)良好。

近年來(lái)，正滲透作為一種新型的膜分離技術(shù)得到越來(lái)越多的關(guān)注。與反滲透過(guò)程類似，正滲透過(guò)程性能同樣受到濃差極化現(xiàn)象的影響；但與反滲透不同的是，反滲透過(guò)程只在進(jìn)料側(cè)受到濃差極化的影響，而正滲透過(guò)程中膜兩側(cè)均存在不可忽略的濃差極化，包括膜材料有效層表面的濃差極化以及多空支撐層內(nèi)部的濃差極化。因此，CFD在正滲透研究中需要建立完整的非對(duì)稱膜兩側(cè)的區(qū)域模型進(jìn)行模擬。Minkyu[22]、Gruber[23]等均采用CFD對(duì)正滲透過(guò)程進(jìn)行了完整的模擬。

4 CFD在膜技術(shù)領(lǐng)域研究應(yīng)用的總結(jié)與展望

CFD技術(shù)因其自身優(yōu)點(diǎn)在膜技術(shù)方面的研究涉及的范圍逐漸擴(kuò)大，前期主要集中在比較成熟的反滲透、超濾、微濾、納濾等壓力驅(qū)動(dòng)膜分離技術(shù)的模擬；近年來(lái)，CFD在新型的膜技術(shù)如滲透汽化、膜蒸餾以及膜生物反應(yīng)器中的應(yīng)用也逐漸增多。CFD技術(shù)在膜技術(shù)研究中雖然能較好地解決一些問(wèn)題，但是同樣存在一些不足和發(fā)展的空間。

1）CFD是一門理論與實(shí)際相結(jié)合的交叉科學(xué)，對(duì)研究者的知識(shí)水平和計(jì)算機(jī)能力要求高。對(duì)于實(shí)際問(wèn)題的模擬，依賴于初始條件和操作條件的確定，如設(shè)置不當(dāng)將導(dǎo)致模擬結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，不能單獨(dú)依靠CFD模擬完成研究工作，需要與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，模擬結(jié)果由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和校正。因此，粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）、PDA等實(shí)驗(yàn)流體技術(shù)需要與CFD模擬技術(shù)相輔相成。

2）在膜傳質(zhì)機(jī)理和膜污染機(jī)理方面，應(yīng)該更加深入研究相關(guān)機(jī)理與CFD模型耦合，進(jìn)一步探究濃差極化和污染層的形成，提出相應(yīng)的緩解措施，提高膜通量，提升工藝穩(wěn)定性。

3）目前大部分研究集中在膜組件內(nèi)部的流體力學(xué)以及膜表面流動(dòng)狀況，在超濾、微濾等多孔材料內(nèi)部的流動(dòng)模擬較少。因此，可以結(jié)合相應(yīng)CFD模型和物理模型開展這方面的研究，在一定程度上指導(dǎo)膜材料的設(shè)計(jì)研究。

4）一些湍動(dòng)強(qiáng)化過(guò)程在增強(qiáng)膜過(guò)程的傳遞效率研究中應(yīng)用廣泛，因此可以利用CFD技術(shù)對(duì)這些耦合過(guò)程進(jìn)行研究，明確強(qiáng)化過(guò)程對(duì)流體流動(dòng)的影響。

5）由于3D物理模型和計(jì)算模型的建立比較復(fù)雜，計(jì)算量也非常大，因此目前3D模擬主要集中在膜組件優(yōu)化設(shè)計(jì)方面；而在膜傳質(zhì)傳熱以及膜污染現(xiàn)象方面，3D模擬計(jì)算仍然比較缺乏。

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Computational fluid dynamics applied to membrane processes for water
treatment

Zhang Yaqin1，Zhang Lin1，Hou Li’an1，2
（1.Department of Chemical and Biological Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.Institute for Logistic Science and Technology of the Second Artillery,Beijing 100011，China）

In this paper，the basic principle of computational fluid dynamics(CFD)in membrane separation process were introduced，and the application of CFD mechanism of membrane pollution，membrane module design in pressure-driven membrane processes，as well as other membrane process，such as pervaporation，membrane distillation were presented.The prospect of application of CFD in membrane process was discussed.

CFD；membrane separation；pressure-driven；pervaporation；membrane distillation

TQ028.8

A

1009-1742（2014）07-0047-06

2014-05-05

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51238006)

張 林，1972年出生，男，安徽當(dāng)涂縣人，教授，主要研究方向?yàn)槟た茖W(xué)與技術(shù)；E-mail:linzhang@ziu.edu.cn