CFD在气隙式炭膜膜蒸馏过程中的应用研究

论文摘要

膜蒸馏作为一种新型的膜分离技术,是解决淡水资源紧缺问题的有效方法之一,具有能耗低、工序和装置简单、对海水的预处理要求不高、可利用太阳能和工业装置余热等廉价能源的优点。但目前膜蒸馏技术仍处于实验室研究阶段,限制其工业化的主要原因是其热利用率低、渗透通量小。制备高效膜材料、优化操作参数、明确过程机理,成为目前的研究热点。本文为了确定膜表面的流体参数（如温度、速度、浓度）的分布规律,明确膜管内流体的传递机理及边界层的形成与发展机制,将计算流体力学引入膜蒸馏过程。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）是基于离散化的数值计算方法,利用计算机对流体相对于不同固体边界的内外流场进行数值模拟和分析的一门新型学科。FLUENT是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的商业CFD软件之一。本文利用计算流体力学技术,采用FLUENT6.3软件,以管状气隙式膜蒸馏海水淡化过程中膜内流体为研究对象,基于k-ε湍流模型,建立了描述膜管内侧液体的流体动力学模型,将模拟计算值与实验值进行了比较,两者吻合良好,证明了模型的可靠性。在此基础上,对膜管内侧流体的二维、三维流动及传热过程进行数值模拟,分别考察了料液温度、流量及浓度对渗透通量的影响,得到了膜管内流体速度、温度、压力及剪应力的分布规律；进一步,将组分输运模型应用于料液侧的氯化钠-水的两组份体系中,建立了膜管内侧流体的传质模拟,得到了膜管内浓度极化因子、浓度极化层厚度和传质系数的分布规律,并采用量纲分析的方法,得到了适合膜蒸馏过程的传质系数关联式；上述模型的建立将有助于对膜蒸馏过程的流场、温度场及浓度场进行预测。本论文还在上述研究工作的基础上,探讨膜管内加入扰流了的方法来强化气隙式膜蒸馏的传热过程,考察了不同高度扰流子的强化效果及其引起的压降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 膜蒸馏概况
• 1.1.1 膜蒸馏简介
• 1.1.2 膜蒸馏分类
• 1.1.3 膜蒸馏的应用
• 1.2 炭膜
• 1.2.1 炭膜简介
• 1.2.2 炭膜分类与制备
• 1.2.3 炭膜的应用
• 1.3 计算流体力学及FLUENT
• 1.3.1 计算流体力学简介
• 1.3.2 FLUENT软件简介
• 1.3.3 计算流体力学的应用
• 1.4 本文的研究内容
• 2 气隙式膜蒸馏过程的传热传质机理
• 2.1 气隙式膜蒸馏过程的传热机理
• 2.1.1 料液侧的热量传递
• 2.1.2 跨膜热量传递
• 2.1.3 气隙内的热量传递
• 2.1.4 冷壁内侧冷凝液膜的热量传递
• 2.1.5 冷壁的热量传递
• 2.1.6 冷壁外侧的热量传递
• 2.2 气隙式膜蒸馏过程的传质机理
• 2.2.1 料液侧的质量传递
• 2.2.2 膜内的质量传递
• 2.2.3 气隙内的质量传递
• 2.3 传热、传质过程的关联计算
• 2.4 本章小结
• 3 气隙式膜蒸馏中传热过程的数值模拟
• 3.1 气隙式膜蒸馏中传热过程的物理模型
• 3.2 膜蒸馏中传热过程的数学模型
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.2 物性参数
• 3.2.3 求解方法
• 3.2.4 边界条件
• 3.2.5 渗透通量的计算
• 3.3 气隙式膜蒸馏中传热过程的二维模拟
• 3.3.1 网格的划分
• 3.3.2 模拟结果与讨论
• 3.4 气隙式膜蒸馏中传热过程的三维模拟
• 3.4.1 网格的划分
• 3.4.2 模拟结果与讨论
• 3.5 本章小结
• 4 气隙式膜蒸馏中传质过程的数值模拟
• 4.1 网格的划分
• 4.2 控制方程及物性参数
• 4.3 边界条件
• 4.4 模拟结果与讨论
• 4.5 气隙式膜蒸馏过程的传质量纲分析
• 4.6 本章小结
• 5 气隙式膜蒸馏中传热过程强化的数值模拟
• 5.1 气隙式膜蒸馏中传热过程强化的模型建立
• 5.1.1 气隙式膜蒸馏中传热过程强化的物理模型
• 5.1.2 气隙式膜蒸馏中传热过程强化的数学模型
• 5.2 模拟结果与讨论
• 5.2.1 网格无关性检验
• 5.2.2 强化后膜管内参数分布
• 5.2.3 不同高度扰流子比较
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 符号说明
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢