陶瓷膜过滤器管束末端板开孔数量对流场影响的数值模拟.pdf
《陶瓷膜过滤器管束末端板开孔数量对流场影响的数值模拟.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《陶瓷膜过滤器管束末端板开孔数量对流场影响的数值模拟.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 50 卷第 4 期化工机械化工机械DOI:10.20031/ki.0254鄄6094.202304009陶瓷膜过滤器管束末端板开孔数量对流场影响的数值模拟胡恩泽董金善朱雨王聪渊南京工业大学机械与动力工程学院冤摘要使用 Fluent 软件袁 模拟陶瓷膜管管束末端板上是否开孔以及开孔数量对膜过滤器内流场的影响遥 结果表明院膜管管束末端板上开孔可以增加流体流动空间袁使末端板上尧下表面处的流动死区减小袁流体流速更加均匀曰随着开孔数量的增加袁流体位于末端板周围的最大流动速度得到有效降低袁膜过滤器进尧出口压降降低袁膜过滤器内部流场的流动阻力减小袁当开孔数量为 12 个时袁膜过滤器内的流动效果最佳遥关键
2、词陶瓷膜过滤器管束末端板开孔数量流场特性数值模拟中图分类号TQ051.8+5文献标识码A文章编号0254鄄6094渊2023冤04鄄0493鄄07作者简介院胡恩泽渊1997-冤袁硕士研究生袁从事过程装备现代设计方法的研究袁遥引用本文院胡恩泽袁董金善袁朱雨袁等.陶瓷膜过滤器管束末端板开孔数量对流场影响的数值模拟咱J暂.化工机械袁2023袁50渊4冤院493-499.随着科学技术的发展袁传统的分离方法不断地被应用到膜工艺中袁进而诞生了膜结晶咱1暂尧膜吸收咱2暂尧膜萃取咱3暂及膜蒸馏咱4暂等新型膜分离技术遥 作为一种处理水的关键技术袁近年来袁膜分离技术的开发与研究受到了研究学者们的高度重视咱5耀7暂
3、遥DOLE魫K P采用有限元方法袁 对简单蜂窝结构中多孔体进行仿真分析袁得到了支撑层与膜分离层间的渗透比对膜渗透量的影响关系咱8暂遥FREDERIC E等通过对3种通道结构形式下的陶瓷膜进行分析袁研究了陶瓷膜中支撑层与分离层之间的渗透比率对流场内流体流动的影响袁结果表明袁过滤优先发生在局部压力梯度高且水力阻力低的区域袁如通道壁处袁这些通道壁周围过滤通量空间分布不均匀袁取决于大孔与微孔之间的渗透比率咱9暂遥 YANG Z等针对等边三角形排列的圆形多通道膜管袁采用一种特殊的计算方法袁研究得到随着通道间距的减小袁膜分离层的表面积会增大袁膜的填充密度会增加袁这对膜管的膜通量具有积极影响咱10暂遥 彭文
4、博等采用数值模拟方法计算了传统的19通道陶瓷膜的速度尧压力分布并提出优化改进方法咱11暂遥 MA C Y等将膜过滤器反应器的入口和出口设置到反应器的侧面袁 通过改变膜束间的距离袁研究中空纤维膜之间的相互作用咱12暂遥BAHRAM H等使用CFD数值模拟技术袁 将入口和出口设置到膜过滤器反应器的侧面袁考察了在1D与3D模型的情况下袁膜过滤器内几何结构与质量传递之间的关系咱13暂遥由于管程内膜管的数量众多袁管程内流体对膜管的冲击作用比较复杂袁因此如何减少流体对膜管的冲击作用袁开发一种流动均匀尧流动阻力小尧投资成本低尧使用寿命长的设备尤为重要袁这将对陶瓷膜过滤器的实际生产使用具有重要意义遥1模型的建
5、立1.1膜过滤器的基本结构膜过滤器渊图1冤主要由筒体尧封头尧压板尧内管板尧换热管尧陶瓷膜过滤管尧分程隔板及防冲挡板等组成遥 文中研究的膜过滤器总长1 322.5 mm袁含有7根换热管曰内管板直径为367 mm袁厚度为20 mm曰换热管直径为108 mm袁厚度为4 mm遥493化工机械2023 年化工机械1.2仿真模型由于膜过滤器的实际内部结构较复杂袁为了提高计算效率袁需简化模型遥 首先根据固体结构参数袁使用Solidworks软件建立陶瓷膜过滤器的固体结构袁 并将其保存为.x鄄t格式袁 然后使用Workbench平台Design Modeler模块抽出流场计算域袁得到模型如图2所示遥图2流场计
6、算域模型1.3网格划分与独立性验证采用六面体核心方法咱14暂对膜过滤器进行网格划分袁结果如图3所示遥为了减少计算资源浪费袁 提高数值模拟精度袁确保数值模拟的准确性袁需要在计算之前针对不同数量的网格进行独立性验证遥 首先根据陶瓷膜过滤器管程流场计算模型袁对进出口处图3模型网格划分与末端板处的网格进行加密袁设置进口速度为0.2 m/s袁其他边界条件相同的情况下袁选取5组不同数量的网格进行数值模拟遥 以整个流场的进出口压降作为验证计算的准确性指标袁 计算结果见表1袁由表1可以看出袁网格数量越多袁压降变化幅度越小曰 当网格数量为4 214 712时袁其相对偏差仅为0.21%袁 同时考虑到计算的精确性和
7、计算机的性能袁最终选用网格数量为4 214 712的模型进行计算遥2计算原理2.1基本控制方程研究流体流动时必须遵循3个基本定律袁 即质量守恒定律尧动量守恒定律与能量守恒定律袁这3个图1膜过滤器结构示意图494第 50 卷第 4 期化工机械化工机械表1不同网格数量下的流场压降变化网格数量3 540 5544 392 561压降/Pa587.603501.2473 865 423550.1574 058 607531.3124 214 712520.285相对偏差/%-0.360.640.340.21定律分别可以用质量守恒方程尧动量守恒方程与能量守恒方程来表示咱15暂袁计算流体力学渊Comput
8、ationalFluid Dynamic袁CFD冤的核心任务就是求解这些方程遥质量守恒方程为院鄣渊籽vx冤鄣x+鄣渊籽vy冤鄣y+鄣渊籽vz冤鄣z+鄣籽鄣t=0渊1冤式中t要要要时间袁s曰vx尧vy尧vz要要要速度矢量在x尧y尧z方向上的分量袁m/s曰籽要要要密度袁kg/m3遥动量守恒方程在x尧y尧z方向上的表达式为院鄣渊籽u冤鄣t+div渊籽uu冤=-鄣p鄣x+鄣子xx鄣x+鄣子yx鄣y+鄣子zx鄣z+Fx渊2冤鄣渊籽v冤鄣t+div渊籽vu冤=-鄣p鄣y+鄣子xy鄣x+鄣子yy鄣y+鄣子zy鄣z+Fy渊3冤鄣渊籽w冤鄣t+div渊籽wu冤=-鄣p鄣z+鄣子xz鄣x+鄣子yz鄣y+鄣子zz鄣
9、z+Fz渊4冤式中Fx尧Fy尧Fz要要要微元体上的体积力袁N/m3曰p要要要动量袁kg 窑 m/s曰子xn尧子yn尧子zn要要要微元体表面上的粘性应力子的分量渊n=x袁y袁z冤袁MPa遥由于文中不涉及传热过程袁因此无需建立能量守恒方程遥2.2湍流模型CFD中使用最广泛的模型是k鄄着湍流模型咱16暂遥Fluent 17.0中提供了3种k鄄着湍流模型袁 即标准k鄄着模型尧RNG k鄄着模型和Realizable k鄄着模型遥在此袁笔者采用Realizable k鄄着模型咱17暂袁其湍动能方程渊k方程冤与耗散率方程渊着方程冤分别为院鄣渊籽k冤鄣t+鄣渊籽kui冤鄣xi=鄣鄣xj滋+滋t滓k蓸蔀鄣k鄣
10、xj蓘蓡+Gk-籽着渊5冤鄣渊籽着冤鄣t+鄣渊籽着uj冤鄣xj=鄣鄣xj滋+滋t滓着蓸蔀鄣着鄣xj蓘蓡+籽C1S着-籽C2着2k+淄着 姨渊6冤其中袁滋为动力粘度曰 湍流粘性系数滋t=籽C滋k2/着袁C滋=1/渊A0+As+U鄢k/着冤袁系数A0=4尧As=6 姨cos 准尧U鄢=EijEij+赘社ij赘社ij 姨袁 通用变量准=13cos-1咱6 姨伊渊EijEjkEkj/EijEij 姨冤暂袁Eij为能量曰时均转动速度张量赘社ij=赘ij-2着ijk棕k袁 转动速度张量赘ij=赘ij-着ijk棕k袁棕k为角速度袁着ijk为耗散率曰 模型系数C1=max 渊0.43袁浊/渊浊+5冤冤袁浊为常
11、数曰 模型常数滓着=1.2尧C2=1.9曰S着为用户定义的源项曰Gk为湍流动能产生项遥3管束末端板开孔对流场的影响3.1三维模型的建立陶瓷膜管管束末端板上尧下表面始终有流体速度相对较小的区域袁因此袁通过对末端板进行合理开孔袁 以达到优化流体速度分布的目的袁其改变方式见表2遥表2末端板开孔参数表是否开孔或开孔数量否12规格mm伊个-准6伊123准6伊36准6伊6末端板直径Dmm90909090末端板间距hmm20202020模拟计算的进口接管表面边界条件选择速度入口渊Velocity inlet冤袁流体流速设置为1 m/s袁出口接管表面的边界条件设置为压力出口渊Pressureoutlet冤袁压
12、力设置为0遥 湍流模型选择Realizable k鄄着模型进行稳态分析袁 陶瓷膜表面和过滤器壁面设置为无滑移壁面遥 开孔情况如图4所示遥3.2速度场模拟结果及分析由于膜管管束末端板上开孔袁 因此在进尧出口中心线所在面旋转28.6毅截面的基础上向法线位置移动6 mm作为新的截面袁得到末端板流体域竖直截面速度矢量图如图5所示袁速度云图如图6所示遥由图5尧6可以看出袁 膜管管束末端板上开孔时袁影响其周围流体的流动形式遥 当膜管管束末端板上不开孔时袁两块末端板之间的流体流速过小曰当末端板上开孔数量较少时袁开孔处的流体495化工机械2023 年化工机械图4末端板开孔示意图图5流体域竖直截面速度矢量图及局
13、部放大图图6流体域竖直截面速度云图流速较大曰当末端板上开孔数量较多时袁开孔处流体流速较小遥 这是因为末端板不开孔时袁流体流动只能通过膜管与换热管之间的间隙袁导致大部分流体通过间隙后继续向下流动袁只有少部分流体进入两板之间流动袁因此两板之间的流体流速过小遥 当末端板上开3个孔时袁流体可以从这3个孔向下流动袁此时两板之间的流体有了更充分的流动袁但由于孔的数量相对较少袁因此开孔周围的流体流速较大遥 当末端板上开12个孔时袁流体有了更多的流动空间袁极大地降低了两板之间的流动速度袁使得流体流速更加均匀化遥图7为陶瓷膜过滤器末端板处最大速度随开孔数量的变化曲线遥 从图7可以看出袁随着末端板上开孔数量的增加
14、袁膜过滤器末端板周围流体流速最大值不断下降遥 这是因为在末端板上开孔袁496第 50 卷第 4 期化工机械化工机械不仅减少了末端板表面的流动死区袁而且使得流体的流动面积增大袁流速下降袁流体流动更加均匀遥图7末端板处最大速度随开孔数量的变化曲线3.3压力场模拟结果及分析模拟计算时进口接管表面边界条件选择速度入口渊Velocity inlet冤袁流体流速设置为1 m/s袁出口接管表面边界条件设置为压力出口渊Pressureoutlet冤袁压力设置为0遥 得到末端板流体域竖直截面压力云图如图8所示遥图8流体域竖直截面压力云图由图8可以看出袁 通过增加膜管管束末端板上的开孔数量袁可以减小流场压降袁减小
15、流场的阻力损耗遥 当末端板上不开孔时袁截面流体压差为6 164 Pa袁 流体在末端板流经周围产生了较大的流速袁因此对末端板的冲击作用明显袁产生了较大的局部阻力损耗袁所以整体压降较大遥 当末端板开3个孔时袁截面压差为5 868 Pa袁压差较不开孔时有所降低遥 当末端板开12个孔时袁截面压差为4 742 Pa袁此时压差有了较为明显的降低遥 这是因为随着末端板上开孔数量的增加袁在流量一定的情况下袁流体流动时有了更多的路径可以选择袁所以每个开孔处的流速都有所降低袁流体对末端板碰撞以及流体间自身的混合尧碰撞产生的局部阻力损耗降低袁最终导致流场压差降低遥图9为末端板上不同开孔数量下膜过滤器进尧出口压降随进
16、口流速的变化曲线遥图9膜过滤器进尧出口压降随进口流速的变化曲线由图9可知袁当末端板上开3个孔时袁其压降分别为493尧1 982尧4 469尧7 967尧12 454 Pa遥当末端板上 开12个孔 时袁其压降分 别为398尧1 810尧4 180尧7 489尧11 730 Pa遥 可见袁随着膜过滤器管束末端板上开孔数量的增加袁进尧出口压降逐渐降低遥 但是由于开孔面积相对于流通面积较小袁因此压降降低的幅度也较小遥3.4湍动能模拟结果及分析末端板上不同开孔数量下流体域竖直截面湍动能云图如图10所示遥 由图10可以看出袁随着陶瓷膜管管束末端板开孔数量的增加袁其周围的湍动能不断降低袁流场流速分布更加均匀
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 陶瓷膜 过滤器 管束 末端 板开孔 数量 对流 影响 数值 模拟
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。