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旋转管式微滤膜流动特性及其分离强化机理研究

周先桃  
【摘要】:旋转管式微滤膜借助于泰勒涡二次流的作用有效地抑制了浓差极化和膜污染,但迄今为止国内外对旋转管式微滤膜流动特性及其分离强化机理的研究都是宏观与定性的,仅限于探讨操作参数及物料特性对分离性能的影响。本文在“教育部高等学校博士学科点专项科研基金(No.2000061016)”的资助下,通过对旋转管式微滤膜流动基本理论、流动特性、分离性能实验的研究,探明了旋转管式微滤膜的分离强化机理。 在旋转管式微滤膜流动基本理论的研究中,首先,从牛顿流体的Stokes本构方程出发,在流体微元体主坐标系下建立起旋转流体微团的变形控制方程,并以平面稳态库特流来阐明流体的脉动性是旋转流体微团变形控制方程的一种表现形式,从而为以脉动为基础的湍流理论从流体内部找到了基石,解释了涡对的成因;这是对流体力学研究的新贡献。其次,从流体微团间相互作用的角度,论证了旋转同轴圆筒环隙间流体形成泰勒涡流的可能性:内筒旋转产生径向流动并形成二次流的过程是一个自发的过程,而外筒旋转对径向运动有抑制作用,其径向的二次流动是非自发的:通过讨论无量纲的Navier-Stokes方程在流体惯性主流区的一组贝切美解,分析了流体非线性动力系统的结构,其异宿轨道的闭圈内就形成了泰勒涡元的结构,从而证明了旋转管式膜环隙间形成泰勒涡结构的必然性;这深化了对泰勒涡生成机理的认识。最后,从封闭的Navier-Stokes精确解与计算机数值模拟的精度入手,阐明了数值模拟产生的截断误差的一部分可以构成类似于泰勒小扰动假定所具有的微小扰动的结构,该微小扰动因控制方程的非线性可以发展成为泰勒涡流:只要湍流模式方程不要 ABSTRACT 将小扰动因控制方程非线性形成的发展消除或过滤掉,就可以用湍流模式模拟 出湍流泰勒涡流。 在旋转管式膜流动特性研究中,首先,提出了用输入直联旋转膜管的三相 异步电动机的电磁转速与膜管转速之差随膜管旋转泰勒数的不同变化趋势来 表征旋转管式膜环隙间存在的不同流型范围;并结合成像观察,在有净轴向流 条件下划分出层流螺旋流、层流随机波涡流、湍流波涡流、湍流随机涡流和湍 流调制波涡流五个流型及其存在的范围,而在轴向流、渗透流共存的的条件下 划分出旋转管式微滤膜环隙间存在层流螺旋流、层流随机波涡流、层流波涡流、 湍流波涡流和湍流随机过渡流等五种流型及其存在的范围;同时又用这种表征 方法研究了从低转速逐级过渡到高转速、从高转速逐级过渡到低转速和瞬时启 动到稳定状态等三种不同发展过程在相同旋转泰勒数条件下流动状态的差异。 其次,通过直接数值求解封闭控制方程所得到层流泰勒涡流,所模拟出的壁面 速度梯度与实测结果相差约10%;通过数值求解雷诺应力模式方程(RSM)得 到的湍流泰勒涡流,所模拟出的轴向速度的相对误差为28.7%,而周向速度在 周向上的脉动值与实测结果相差5%,因而模拟结果可靠。最后,用流动模拟 的方法分别定量地描述了旋转管式膜环隙间产生的层流泰勒涡流和湍流泰勒 涡流的流场全貌,据此分析了旋转管式膜内外筒壁面及其附近区域所具有的压 力分布特性和剪切力分布特性以及湍流泰勒涡流的速度脉动特性,较全面而系 统地定量描述了泰勒涡流的流动特性,为指导层流泰勒涡流和湍流泰勒涡流的 工业应用提供科学依据。 在旋转管式微滤膜分离特性研究的中:首先,提出了以旋转管式微滤膜相 对强化因子来表征消除离心压力影响及初始状态差异后旋转泰勒数对分离的 强化程度,以便于比较不同污染程度、不同操作条件对分离强化作用的影响: 一_,__,、,‘,、·‘_,,,__.__.,.___、、.‘.,‘,_、.迎沪。 旋转管式微滤膜的相对强化因子可定义为了以’,“,三斌,式中’0为“PO操作 压力下膜管静止时的渗透流量,J为△P0操作压力下膜管旋转时的渗透流量, △P为操作压力△P0扣除膜管旋转产生的离心压强后形成的实际操作压力。其 次,以初始时刻渗透通量为比尺得到的渗透因子来表征轴向流和膜管旋转对强 化的影响程度时:当单独考虑轴向流对膜污染的抑制作用时,在相同初始渗透 通量的前提下,轴向流越大,强化效果越好:若初始时刻的渗透通量越大,其 四川大学博士学位论文 渗透因子下降越快,以至于短时操作可以忽略不可逆污染的影响;,当单独考虑 转速对膜污染的抑制作用时,膜管转速越高,达到稳定渗透因子的时间就越短。 最后研究了浓度、压力和不同流型对分离性能的影响,其中浓度对分离性能的 影响表明:当悬浮液中的颗粒粒度远大于膜管的孔径时,浓度越高,其相对强 化因子也越高,发生的膜污染主要是膜的表面污染。当悬浮液中的颗粒粒度与 膜管的孔径相近时,在低旋转泰勒数情况下,浓度越高,其相对强化因子也越 低;而在高旋转泰勒数下,浓度较高的相对强化因子增长较快,并可能超过低 浓度情况的强化因子;低浓度条件下的相对强化因子将在较小的旋转泰勒数下 达到其极大值并趋于稳定,再增加旋转泰勒数,其相对强化因子将会下降。压 力对分离性能的影响表明:操作压力越低,一其渗透流量在旋转泰勒数增大的过 程中将越先达到最大值;若膜管静止状态时不同操作压力下的初始渗透流


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