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摘 要

中空纤维膜组件（the hollow fiber membrane modules）相较其他类型膜组件，具有操作过程简单、装填密度较大、设备价格低廉等优点，因而在水处理中得到人们的广泛认可。同时，中空纤维膜组件运行能耗高、膜丝在使用过程中易污染是影响其普及的重要因素，也限制了它的发展。

本文将应用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）技术，对现有的商用中空纤维膜组件进行分析，找出现有商用中空纤维膜组件设计弊端，并对其进行优化设计。本文首先通过Gambit对现有商用中空纤维膜组件和设计的优化组件进行建模和网格划分，然后通过计算模拟，观察两种膜组件在不同高度和曝气强度下的气含率分布、压力分布和气液两相分布，最后将通过实验来验证模拟结果，进而得到性能更佳的商用中空纤维膜组件。

关键词：中空纤维膜组件 计算流体力学 气含率 压力分布 气液两相分布

Design and Experiment Study of the hollow fiber membrane module

Abstract

The hollow fiber membrane modules is now widely used for water treatment and reuse， as it has essential benefits over other water treatment progress， such as its simple progress， low investment， flexible operation， large packing density and so on. However， membrane fouling and high energy consumption remain the major disadvantages of this technology and restrict its development.

This article will use Computational Fluid Dynamics (CFD) as a powerful tool to solve these problems. By analyzing commercial hollow fiber membrane modules， hollow fiber membrane modules can be optimized. In this study， we observed inherent flow field of different height and different aeration intensity and analyzed the gas holdup， pressure distribution and gas-liquid two-phase distribution to optimize the commercial hollow fiber membrane modules.

KEYWORDS: hollow fiber membrane modules; CFD; gas holdup; pressure distribution; gas-liquid two-phase distribution

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1膜分离技术 1

1.2膜组件简介 1

1.3计算流体力学（CFD）简介 2

1.4 Gambit简介 2

1.5 Fluent简介 3

1.6研究目的 4

1.7研究内容 4

第二章 膜组件的模型建立与网格划分 5

2.1 模型的建立 5

2.2 模型的网格划分 5

2.2.1网格划分方法 5

2.2.2网格划分类型 9

2.3 6曝气孔中空纤维膜组件网格划分 10

2.4 12曝气孔中空纤维膜组件网格划分 11

第三章 计算模拟的模型选择与求解 13

3.1计算模型的类型和选择 13

3.1.1 湍流模型 13

3.1.2多相流模型 15

3.1.3 模型的选择 16

3.2 Fluent的求解 17

3.2.1建立控制方程 17

3.2.2确定初始条件和边界条件 18

3.2.3离散初始条件和边界条件 18

3.2.4给定求解控制参数 18

3.2.5求解离散方程 18

3.2.6判断收敛性并输出结果 19

第四章 膜组件的模拟计算与实验验证 20

4.1 6曝气孔中空纤维膜组件模拟与实验分析 20

4.1.1气含率分布 20

4.1.2压力分布 21

4.1.3气液两相分布 22

4.1.4模拟与实验结果分析 23

4.2 12曝气孔中空纤维膜组件模拟与实验分析 24

4.2.1气含率分布 24

4.2.2压力分布 25

4.2.3气液两相分布 26

4.2.4模拟与实验结果分析 27

4.3结论 27

参考文献 28

致 谢 30

第一章 文献综述

1.1膜分离技术

膜分离技术是一种具有分离、纯化、浓缩和精制功能的高效、节能、环保的分离技术。它出现于20世纪初期，并在20世纪60年代后迅速崛起^[1]。由于膜分离技术操作方便、过程简单、易于控制，现已在诸多领域被广泛应用，如食品、生物、环保、化工、石油、医药和膜分离技术常常涉及的水处理等领域。膜分离技术在这些领域产生了极大的经济效益，是当今分离科学的重要手段之一^[2]。

所有膜分离过程都是通过膜来实现的。这就好像膜是两个均相之间的屏障，一旦向组分中施加作用力，就会发生组分通过膜的选择性传递。而分离的推动力大部分情况下是膜两侧的浓度或压力差^[3]。

1.2膜组件简介

膜组件一般由膜元件和外壳组成。在有些膜组件中，只会安装一个元件，但更多的膜组件中，安装多个元件。工业上经常用的膜组件，形式主要有圆管式、螺旋卷式、板框式以及中空纤维式这四种类型^[4]。

中空纤维膜组件的特点是膜与支撑体合二为一，因此存在较为严重的压力和径向温度分布问题^[5]。但其优点也十分显著，如：具有极大的装填密度，从而提高比表面积；操作过程简单、设备成本较低；放大容易（实验室规模和工业规模流动形式和分离效果差别不大）；操作安全（膜分离推动力是压力差）等^[6]。

1.3计算流体力学（CFD）简介

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