酶膜反应器内流场的三维数值模拟与叶片优化研究

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• 论文作者：王星燚 ; 胡徐趣
• 年：2016
• 作者机构：湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室机械与运载工程学院;
• 论文关键词：酶膜反应器 ; 叶片优化 ; 三维数值模拟 ; 剪切力
• 会议召开时间：2016-10-20
• 会议录名称：第九届全国流体力学学术会议论文摘要集
• 语种：中文
• 分类号：TQ051.893
• 学会代码：AGLU
• 会议名称：第九届全国流体力学学术会议
• 会议地点：中国江苏南京
• 主办单位：中国力学学会流体力学专业委员会
• 学会名称：中国力学学会
• 页数：2
• 文件大小：97k
• 原文格式：O
• 会议级别：全国

摘要

新世纪以来,膜过滤技术在污水处理、生物过滤、海水淡化等工业分离过程中广泛应用。众所周知,膜污染现象会显著降低膜通量、缩短膜寿命,严重影响膜过滤系统的使用成本和运行效率。大量研究表明,利用旋转部件改变反应器内部流场特性,增加膜面剪切力可以显著控制膜污染的发展。该类动态过滤技术(Dynamic filtration)因其易操作低成本的特点而广受关注。本文着眼于常见的磁搅拌式酶膜反应器(Amicon 8050,Millipore),利用计算流体力学建模方法,对叶片旋转激励下反应器内的流场特性展开模拟与分析,并从速度分布、剪切力大小与均匀度等角度出发,对该类反应器叶片形状展开优化研究。由于该反应器具有边界曲率大、旋转流动速度高等特点,本研究采用单一旋转坐标系(Single Reference Frame),利用多孔介质模型模拟薄膜过滤特性,并基于RNG k-e湍流模型对叶片搅拌旋流展开三维数值建模。与实验结果的对比表明,本文的数值模型有较好地准确度和可靠性。结果表明,叶片旋转作用引起膜表面涡旋生成,漩涡强度和分布与旋转速度密切相关。膜面速度、剪切力等随叶片旋转速度增加而不断增大,但其分布不均匀,膜中心部位的低速、低剪切区域能显著降低膜的利用率。膜中心部位的低速、低剪切区域均随着转速的提高逐渐缩小,证明了高转速对膜污染现象的控制作用。随后,本文针对多种叶片形状(直棱型、三棱型、四棱型、六棱型和圆盘型等)展开叶片优化研究,结果表明,叶片分布密度的增加能显著提高反应器内流强度;但当叶片为圆盘状时(叶片分布密度最大),反应器和膜面流动强度均显著下降。定量分析表明,多种转速下六棱型叶片引起的膜面剪切力大小、分布均匀度等力学参数均相对较好。本文获得的结果,可在一定程度上加深人们对酶膜反应器内流特性的认识,对控制膜污染现象、提高膜利用效率、优化叶片行为等膜过滤技术中的现实问题的解决,有较强的理论参考价值。

引文