[發明專利]一種流固耦合模型模擬中空纖維膜膜絲抖動方法

有效

• 申請號: 201910508383.6
• 申請日: 2019-06-12
• 公開（公告）號: CN110215847B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 劉雪菲;王遠;大衛·韋特
• 申請（專利權）人: 江蘇新宜中澳環境技術有限公司
• 主分類號: B01D65/10
• 分類號: B01D65/10;B01D69/08
• 代理公司: 無錫市天宇知識產權代理事務所(普通合伙) 32208
• 代理人: 周舟

本發明公開了一種流固耦合模型模擬中空纖維膜膜絲抖動方法，包括以下步驟：步驟一：將膜絲在水中浸泡四小時，采用機械拉伸儀測量拉伸橫向形變和縱向形變，從而得到膜絲在水中的楊氏模量來描述線性彈性材料的物理性質和泊松比來表示橫向應變與縱向應變的比值，本發明通過設置一套實驗方法可以有效測量中空纖維膜膜絲的機械性能，包括拉伸性，彈塑性。并建立一套系統地分析中空纖維膜機械性能技術，可以有效模擬彈塑性中空纖維膜受力而導致地形變與位移的計算機數值模型，還通過設置的創新性的計算機流固耦合模擬的方法，并可以有效應用于膜組器設計中針對不同膜絲機械性能來給出最優松散度設計的建議。

技術領域

本發明涉及模型模擬利用技術，具體是一種流固耦合模型模擬中空纖維膜膜絲抖動方法。

背景技術

膜生物反應器(MBR)是膜分離技術和生物技術的有機結合。用超濾或微濾膜分離技術取代傳統的活性污泥法的二沉池和常規過濾單元，使水力停留時間(HRT)和泥齡(STR)完全分離。其高效的固液分離能力使出水水質良好，懸浮物和濁度接近于零，并可截留大腸桿菌等生物性污染物，處理后出水可直接回用，出水水質要明顯優于傳統污水處理工藝，是一種高效、經濟的污水資源化技術。近些年來，由于該項技術所具有的巨大優勢和潛在的應用前景，受到了眾多研究者和用戶的青睞，也正因如此，對MBR性能提升和優化的努力從未停止。

中空纖維膜膜組器安裝設計時通常留有一定的松散度讓膜絲在實際運行和反沖洗過程中可以一定程度地自由抖動。張緊固定膜絲會使膜絲內產生一定的初始張應變，可能使膜絲在注膠處容易開裂，而影響膜組器使用壽命。反之，松散度過大則會導致劇烈地膜絲抖動，也會使膜絲疲勞度增加而縮短膜組器使用壽命。所以目前市面上膜組器通常采用1％到5％的松散度的設計。而對于不同膜絲機械性能，比如膜絲半徑，膜絲硬度，伸展性等，其對應的最優膜絲松散度來實現有效的膜污染控制而不影響膜絲使用壽命是不一致的。而膜生物反應器內水力學情況復雜。氣泡上升流產生局部紊流致使膜絲表面受力不均而產生形變與位移。同時，膜絲的抖動也相應影響流場內的水流分布，所以氣泡流產生的膜絲抖動是一個氣液固三相相互作用的而又同時具有瞬變性特征的特殊物理現象。研究學者采用傳統的實驗方法研究得出膜絲抖動可以有效去除膜污染。但是采用實驗方法來輔助優化設計膜組器需要的工作量太大，并且難以做到將各個因素綜合考慮來分析其對于MBR系統表現的影響。所以很多研究學者采用計算機數值模擬來相應研究，然而當前的計算機數值模型尚不成熟，并沒有考慮膜絲自身機械性能對于其自由抖動的影響(Zananiet al.,2013)。而有機膜機械性能相對復雜，當前對于膜絲機械性能的研究也很局限，沒有一套系統的實驗方法來實現全面測量。

發明內容

本發明的目的在于提供一種流固耦合模型模擬中空纖維膜膜絲抖動方法。

本發明所要解決的技術問題為：

(1)如何開發一個創新性的計算機流固耦合模擬的方法；

(2)如何開發一個計算流體力學模型模擬小氣泡曝氣導致的兩相流；

(3)如何開發一個相應的計算有限元模型模擬中空纖維膜受外力后的形變與位移；

本發明的目的可以通過以下技術方案實現：

一種流固耦合模型模擬中空纖維膜膜絲抖動方法，包括以下步驟：

步驟一：將膜絲在水中浸泡四小時，采用機械拉伸儀測量拉伸橫向形變和縱向形變，從而得到膜絲在水中的楊氏模量來描述線性彈性材料的物理性質和泊松比來表示橫向應變與縱向應變的比值；