计算流体力学在反渗透膜分离中的应用

  计算流体力学 (computationalfluiddynamics,简称 CFD)是通过数值方法求解流体力学控制方程,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行分析得到对流场的离散的定量描述,并以此预测流体运动规律的学科。CFD是在流体三大方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下,把原来在时间域、空问域上连续的物理量的场用一系列有限个离散点上的变量值集合来代替,通过一定的原则和方式建立起来关于这些点上场变量之间关系的代数方程,然后通过有限差分法、有限元法等求解这些代数方程组从而得到变量的近似值。由于现代CFD技术具有成本低、速度快、资料完备、可以模拟真实及理想条件等优点,已广泛应用于水利、航运、海洋、环境、食品、流体机械与流体工程等与流体相关的领域,基本上可以做到“如果是流体,我们就可以对其进行分析”。CFD不仅可以帮助理解流体流动问题,而且在此基础上可以预测流体流动新的机理,从而在工程上支持设计过程并做出决断。因此CFD 成为研究各种流体流动现象,设计、操作和研究各种流动系统和流动过程的强有力工具,并已经取得了与实验流体力学及理论流体力学同等重要的地位,形成“三足鼎立”之势。

CFD与计算机技术、应用数学等学科有着密切的联系,并在很大程度上依赖于实验和理论流体力学的发展。由于很多问题其机理尚未完全清楚,并且目前的CFD商业软件,如应用最广泛的FLUENT、CFX4等并没有包括所有的物理模型,同时数值模拟也受到计算机本身条件的限制,因此CFD技术也有其局限性。尽管如此,CFD强大的模拟计算能力仍是其它手段所不能比拟的,随着计算机技术以及实验和理论流体力学的发展,CFD技术将在多个领域获得更加广泛的应用。

  目前反渗透膜技术作为先进的水处理技术,由于具有无相变、组件化、流程简单等优点,在工业水处理中已得到了广泛应用,但是在反渗透膜分离技术的实际应用过程中,浓差极化和膜污染问题成为影响其技术可靠性的决定性因素。对这两大问题进行具体分析将有助于采取合适的措施减弱或消除其不良影响。

  研究表明,CFD模拟可以很好地应用于反渗透膜系统中,寻找减轻膜污染的方法。目前此研究工作大多集 中在国外。


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