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

    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。

    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:

    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；S_Φ为源项，k为传质系数，d_h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。