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膜通道内纵向涡强化传质的数值研究

作　者: 张冰强
导　师: 闵敬春
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 膜分离浓差极化纵向涡传质强化
分类号: TQ021.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

膜分离作为一种新型高效的分离手段已广泛应用于众多工业领域。在膜分离过程中,浓差极化现象的存在极大地影响了传质效率。常用的二维扰流器可明显地削弱浓差极化,但引起的阻力较大。传质和传热在物理现象和控制方程等方面有许多相似之处。对于传热过程,利用纵向涡发生器诱导产生纵向涡来破坏边界层从而实现强化传热是一种较受关注的方法。本文在强化传质研究中借鉴纵向涡强化传热理论,并利用CFD软件FLUENT 6.3来模拟不同纵向涡发生器对狭窄膜通道内浓差极化的影响。其中模拟采用k–εRNG湍流模型。研究了无扰流器和装有不同扰流器的膜通道内的浓差极化现象。从无扰流器的膜分离过程来看,浓差极化主要集中在膜表面附近很窄的范围内,浓差极化程度沿流向逐渐增加,但随Re数增加而减小。当通道中分别安装三角翼和矩形翼这两种纵向涡发生器以及传统的三棱柱、四棱柱、圆柱这三种典型的二维扰流器时,相同Re数下二维扰流器可显著降低浓差极化因子即显著强化传质,但带来的压力损失较大,而具有三维结构的纵向涡发生器可有效强化传质,同时引起的压力损失明显小于二维扰流器。等压降和等功耗条件下,五种扰流器中矩形翼的强化传质效果最好,三棱柱最差。讨论了三角翼和矩形翼的高度、攻角、长高比、布置间距四种几何参数对膜通道内强化传质效果的影响。对于三角翼,在等压降和等功耗条件下,随着高度的增加或布置间距的减小,强化传质效果单调增强;而长高比的影响较小。攻角存在最佳值,在等压降和等功率下分别取10°和40°。对于矩形翼,在等压降和等功耗条件下,高度和布置间距存在最佳值,且分别取2/3和3/2通道高度;而长高比从1.2增加到2.0时,强化传质效果增强,继续增大至2.8,强化效果基本不变。攻角亦存在最佳值,在等压降和等功率下分别取10°和30°。根据以上结果及进一步的比较分析,最终给出了三角翼和矩形翼四种参数的推荐取值。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-10
第1章引言  10-22
  1.1 背景意义  10-11
  1.2 膜分离技术概述  11-16
    1.2.1 膜分离技术发展  11-14
    1.2.2 膜的性能表征  14
    1.2.3 浓差极化及膜污染  14-16
  1.3 膜通道内强化传质研究  16-18
  1.4 纵向涡强化传热研究  18-21
  1.5 本文研究内容  21-22
第2章膜分离过程模型  22-36
  2.1 膜传递基本理论  22-25
    2.1.1 膜内传递  22-24
    2.1.2 膜外传递  24-25
  2.2 膜分离过程的数理建模  25-33
    2.2.1 物理模型  25-28
    2.2.2 控制方程  28-29
    2.2.3 边界条件  29-30
    2.2.4 湍流k–εRNG 模型  30-31
    2.2.5 壁面函数  31-33
  2.3 计算区域网格划分  33-34
  2.4 数据处理  34-35
  2.5 本章小结  35-36
第3章纵向涡强化传质分析  36-48
  3.1 模型验证  36-37
  3.2 无扰流器膜分离过程传质研究  37-39
  3.3 装有不同扰流器膜分离过程传质比较  39-47
    3.3.1 传质能力  40-41
    3.3.2 流动特征  41-45
    3.3.3 综合性能比较  45-47
  3.4 本章小结  47-48
第4章纵向涡发生器参数优化  48-70
  4.1 纵向涡发生器高度的影响  48-52
  4.2 纵向涡发生器攻角的影响  52-57
  4.3 纵向涡发生器长高比的影响  57-62
  4.4 纵向涡发生器布置间距的影响  62-67
  4.5 结果比较与参数选取  67-69
  4.6 本章小结  69-70
第5章结论  70-72
参考文献  72-76
致谢  76-77
附录A 膜边界UDF 程序  77-79
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  79

膜通道内纵向涡强化传质的数值研究

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