旋转膜过滤器内部流动特性数值模拟

基于计算流体力学方法对旋转膜过滤器内部层流与湍流场进行研究，利用多孔介质模型描述滤膜的渗透性对流动的影响，开展验证实验，确定滤膜阻力修正系数，并验证模型的可靠性。在此基础上，对过滤器内部流体的速度和压力分布进行数值分析，并探究滤膜转速对滤膜表面跨膜压力和剪切应力的影响。结果表明，滤膜表面流体无量纲角速度沿径向呈现中间区域基本保持不变，旋转轴附近有所降低，滤膜边缘附近略有升高的趋势；流动状态对滤膜上、下方间隙流体无黏核心区的无量纲角速度有重要影响。研究还发现，跨膜压力沿径向趋于下降，同种流动状态下，跨膜压力随滤膜转速的增大而减小；同一滤膜转速下，剪切应力沿径向线性增大，提高滤膜转速，剪切应力显著增加。     

旋转盘反应器的PIV流场测试

将粒子成像测速(PIV)技术应用于旋转盘反应器,获得了旋转盘表面流场的瞬时速度分布,研究了操作参数(流量和转速)对流场速度分布的影响.结果表明,从盘中心到边缘瞬时速度先减小后增大;转盘中心区域的速度场主要由流量控制,流体的相对径向速度随流量增大而增大;转盘外缘区域的速度场主要由转速控制,流体的相对周向速度随转速增大而增大;实验条件下临界半径Rc=50 mm,转盘设计半径应适当大于临界半径.     

错流碟片旋转超重力场中液膜体积分率的实验研究

错流碟片旋转填充床反应器可有效脱除燃煤烟道气中的二氧化碳和其它有害成分,但液体分布状态对反应速率有很大影响,研究液膜的体积分率可为该类型反应器的设计提供有效的依据参数;实验研究了碟片转速、液体流量、气体流量、碟片间距和碟片开孔率与液膜体积分率的关系,用每张碟片底部对应液体收集器储存并测量碟片表面液膜的体积流量,用高速摄像机记录不同条件下液膜的存在状态和变化规律.研究表明随碟片转速增加液膜分率降低,增强的离心力促使液膜破裂,但液滴的甩出速率增加,促使液滴二次聚并,有不连续液丝产生.增大入口液体流量,液膜分率减小,液膜厚度变化缓慢,空间液滴增大.增大气体流量,液膜分率减小,厚度变薄,碟片表面附着液膜被吹散,促使液体雾化.液膜分率随碟片间距增加减小,提高碟片间距可有效减少液滴二次聚并;碟片开孔率增大液膜分率减小,提高碟片开孔率可有效降低碟片表面液膜的连续性,促使液膜分裂.     

垂直圆盘液膜厚度特性实验研究

垂直圆盘表面液膜厚度受离心力、重力、黏性力以及惯性力等多重因素的影响,合力随着位置的变化而变化,液膜分布复杂。借助激光探头测量圆盘表面不同位置处液膜厚度随物性及转速的变化规律,结果表明:固定位置处液膜厚度与转速非正相关,部分区域膜厚随转速的增加先增加,出现极值后减小至某一恒定值,而部分区域膜厚与转速成递增函数关系后便达到恒定值。圆盘表面的成膜性与黏度和转速关系密切,低黏物系在低转速时,盘面很难成膜;随着转速的提高,部分区域成膜,但整体成膜率低;当黏度提高后,低转速下就能达到高成膜率。固定物系与转速,旋转圆盘不同位置处膜厚存在差异,均一性较差,在设计圆盘时,简单用平均膜厚表征圆盘表面液膜特性可能会失真。     

新型径向叶片式旋转床压降分析及气相流场模拟

针对折流式旋转床压降高、能耗大的问题,提出了一种新型超重力旋转床设备--径向叶片式旋转床。首先,对该旋转床的压降进行了理论分析和建模,并利用水-空气体系进行了实验研究。通过改变气量、转速和液量探究了新型径向叶片式旋转床压降的变化规律,结果表明压降随气量、转速和液量的增加而增加,且随着气量和转速的增加,液量对压降的贡献逐渐减小。压降模型的预测值与实验数据的相对偏差基本在10%以内,表明模型可以较好地预测新型径向叶片式旋转床的压降。另外,通过计算流体力学（CFD）软件的模拟获得了旋转床内气相流场和压力分布的结果,发现转子内压降是总压降的主要部分;气体进入转子后会因叶片作用使得周向速度变大,并在转子外缘处达到最大值;气体的进口流速将会影响旋转床内的气相分布。利用实验数据对CFD模拟结果进行了验证,两者的相对偏差在10%左右。     

水平管环状流液膜厚度与波动参数分布

环状流是常见的一种气液两相流流型,基于双平行电导探针阵列传感器设计了环状流液膜动态测量系统,以水和空气为介质,进行了气相表观流速15~35 m/s、液相表观流速0.1~0.4 m/s范围内的水平管环状流周向液膜测量实验,分析了水平管环状流的液膜厚度、相界面波动参数的空间分布与发展变化规律。结果表明,水平管环状流底部液膜厚度随气相表观流速的增加而减小,随液相表观流速的增加而增大,但在高液相表观流速时有饱和趋势,对应条件下周向其他位置的液膜厚度持续增大,尤其在45°位置显著增大,下半周液膜分布趋于平缓;由底部到顶部,液膜波速和波频在周向上均呈逐渐减小趋势,与液膜厚度的分布规律一致,大幅度的扰动波主要分布在底部;底部液膜波速和波频随气相表观流速增加而增大,液相表观流速增加时,波速随之增大,但波频无明显变化,对应波长增大。     

水平管环状流液膜厚度与波动参数分布

环状流是常见的一种气液两相流流型,基于双平行电导探针阵列传感器设计了环状流液膜动态测量系统,以水和空气为介质,进行了气相表观流速15～35 m/s、液相表观流速0.1～0.4 m/s范围内的水平管环状流周向液膜测量实验,分析了水平管环状流的液膜厚度、相界面波动参数的空间分布与发展变化规律。结果表明,水平管环状流底部液膜厚度随气相表观流速的增加而减小,随液相表观流速的增加而增大,但在高液相表观流速时有饱和趋势,对应条件下周向其他位置的液膜厚度持续增大,尤其在45°位置显著增大,下半周液膜分布趋于平缓;由底部到顶部,液膜波速和波频在周向上均呈逐渐减小趋势,与液膜厚度的分布规律一致,大幅度的扰动波主要分布在底部;底部液膜波速和波频随气相表观流速增加而增大,液相表观流速增加时,波速随之增大,但波频无明显变化,对应波长增大。     

折流式旋转床气液比表面积的实验研究及CFD模拟

气液比表面积对折流式旋转床(RZB)的传质起到关键的作用。本文采用NaOH溶液化学吸收混合气体中CO_2的方法对折流式旋转床的气液比表面积进行了研究,通过计算流体力学(CFD)技术来模拟转子内液体的流动行为。分析转子转速、气体流量和液体流量对气液比表面积的影响。结果表明:折流式旋转床的比表面积在100~350m~2/m~3范围内,折流式旋转床的气液比表面积随液量的增大而增大,随气量的增大明显增大,随转速的增加先缓慢增大后迅速增大。CFD模拟表明,随液量的增加,动静圈之间的液滴数量明显增多,并且静圈上更多的表面被液膜覆盖;随气量的增大,更多的液体被碎成细小的液体,液滴的数量成倍增加;随转速的增大,动圈施加给液体的剪切力和离心力增大,液体被更好地分散,并且离开动圈的液滴尺寸变得更小。RZB与其他类型填充旋转床(RPB)的气液比表面积进行对比,发现RZB的比表面积低于分段进液式RPB、常规不锈钢金属网RPB、镍泡沫填料RPB、新型多个叶片转子RPB,接近于板式填料和挡板PRB。     

生物转盘表面液膜流动特性数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)方法,运用流体体积(VOF)模型研究生物转盘表面液膜流动特性,分析了传统实心转盘和新型开窗转盘表面液膜的成膜特性、厚度和速率等,并考察了不同转盘厚度对成膜和液膜厚度的影响。结果表明:实心转盘的液膜自上而下平缓过渡,而开窗转盘中,开窗区域附近出现液膜位置的急剧变化,并在槽内液体下方发现很多不规则的气泡;转盘在上升区的液膜厚度随角度的增加快速减小,而下降区的液膜厚度基本不变,趋于稳定;转盘开窗形成的自由膜速率大,更新频率快;在研究范围内,不同厚度转盘形成的液膜随转盘厚度增加,开窗区域的自由膜厚度增加。     

往复旋转管式陶瓷膜超滤脱脂奶水溶液的研究

往复旋转管式陶瓷膜过滤系统通过膜组件往复旋转在膜表面反复产生高剪切率,达到减缓膜污染的效果。在相同操作条件下,与单向旋转过滤和死端过滤相比较,往复旋转过滤具有更好的减缓膜污染的作用。本实验利用往复旋转膜过滤装置超滤脱脂奶水溶液,考察了各种参数对该膜系统过滤特性的影响。实验结果表明,料液浓度增大,膜通量减小;过高的操作压差将会抑制膜通量增加;旋转速度增大,膜表面剪切强化作用增强,膜通量相应增大;膜稳态通量随往复旋转周期增大呈现先增大后减小的趋势。当料液速度达到膜组件转速时,瞬时反方向旋转膜组件,膜表面产生最大的剪切率,膜稳态通量也达到最大值。能耗分析表明,往复旋转过滤较单向旋转过滤单位通量能耗低。