中空纤维膜渗透汽化过程中Dean涡强化传质的CFD模拟

建立了一个三维的弯管式中空纤维膜渗透汽化传质CFD模型,研究Dean涡对渗透汽化过程传质的影响,描述了膜内侧的浓度和速率变化情况,该模型与Leveque传质关联式具有良好的一致性。研究结果显示:弯管膜中Dean涡的存在能降低边界层传质阻力,总传质系数比直管膜提高了4倍;在不同的入口速率和浓度条件下,弯管膜内侧的壁面剪应力均大于直管膜。在膜阻力远小于边界层阻力的情况下,入口速率0.275 m·s^(-1),水浓度10%(质量)时,弯管膜的渗透通量为12636 g·m^(-2)·h^(-1),是直管膜的5倍。可见,弯管式中空纤维膜在渗透汽化过程中具有显著的强化传质效果。

超滤膜法制备乳化柴油过程中Dean旋流效应的影响

根据Dean旋流原理,采用螺旋形中空纤维超滤膜制备乳化柴油,考察了螺旋形膜组件的螺距和螺径对乳化效果的影响,研究了Dean旋流效应对强化膜面剪切力、提高乳液品质、降低膜面污染等方面的作用。结果表明:螺径和螺距减小时,膜面剪切力增大,膜内的Dean旋流程度加剧,乳液液滴直径减小,但过小的螺径使液滴分散系数增加,不利于制备性能优异的乳液;同时,螺径和螺距的减小可以提高膜通量保留率,有效抑制膜面污染层的形成;与直形膜相比,螺旋形膜可显著降低乳化剂用量,其通量保留率达到直形膜的3.5倍。

螺旋形中空纤维超滤膜处理高浓度废水时Dean旋流对膜污染阻力的削弱作用

根据Dean旋流原理，以洗毛废水为高浓度废水，用螺旋形中空纤维超滤膜研究透膜压差、膜面流速、料液浓度、Dean参数等对膜污染阻力的影响．结果表明：在50℃，透膜压差△P为80kPa，膜面流速V为0．68m／s，螺距b为5mm，螺径dc为25mm，处理水质为CODcr46365mg／L、羊毛脂12g／L、pH=8．0、总固体浓度20158mg／L时，螺旋形膜透过液通量J是直形膜的1．6～1．96倍，阻力Rf比直形膜降低60％以上．在Dean参数的构成中，提高试验温度和减小螺距对膜污染阻力的削弱效果最为显著．

基于Dean涡效应的弯管冲蚀机理分析

冲刷腐蚀是船舶管路损伤失效的重要原因,而管道内介质的流动速度是影响冲刷腐蚀速率的关键因素。基于数值模拟方法,对90°弯管不同位置的液相介质速度分量进行了计算与分析,发现管道冲刷腐蚀速率并非由介质流动合速度决定,而是由与管道轴向垂直的横截面内的速度分量(Dean涡强度)决定。横截面内的Dean涡强度越大,介质与壁面金属基材之间的传质过程越快,越容易导致管道冲刷腐蚀加速。

螺旋管内局部二次流强度计算及演变规律

为了掌握螺旋管内二次流强度的变化规律,对螺旋管内局部二次流强度及演变规律进行了研究,提出了无量纲数H作为局部二次流强度指标。通过数值模拟得到H的体积平均值Hm,与描述整体二次流强度的迪恩数进行对比。结果显示,在不同的雷诺数、曲率、螺距下,H_(m)与迪恩数的相关系数约为1,且呈现较好的正比关系,说明H能够准确计量局部二次流强度。同时,探究了几何参数对螺旋管内的二次流演变规律的影响。依据二次流的强度,管内流动可分为发展段、过渡段和稳定段。二次流在发展段迅速增强;在过渡段出现最大值;在稳定段呈小幅度周期性波动。雷诺数增大会显著增大二次流强度,但是不影响二次流在3个阶段出现的位置。曲率的增大会略微增大二次流的强度,且延长了二次流达到稳定段的路程。螺距对二次流的强度和演变规律影响非常小。

导水叶栅对冲击式水轮机喷射机构流动特性的影响

为研究导水叶栅对冲击式水轮机喷射机构流动特性的影响,设计了7种不同导水叶栅数方案和5种不同导水叶栅出水角方案,应用RNG k-ε模型和VOF模型,在额定工况下对考虑弯管进口的冲击式水轮机喷射机构进行数值计算,分析导水叶栅对喷射机构流动特性的影响.结果表明:由进口弯管引起的迪恩涡以及由导水叶栅绕流引起的卡门涡始终存在于喷射机构内部及射流区域,这些涡流的存在造成射流液面在弯管内侧和导水叶栅下游出现变形,并导致射流扩散;不同导水叶栅数的喷射机构射流偏心存在差异性,导水叶栅增多,射流内侧液面凸起和射流扩散现象得到缓解,但导水叶栅下游射流液面对应区域的变形更加剧烈,进而影响射流质量;导水叶栅出水角的改变对导水叶栅引起的拉伸涡有一定的影响,但相较于导水叶栅数,导水叶栅出水角对喷射机构流动特性影响较小.

U形竖管内超临界甲烷传热异常行为机理研究

针对航空发动机的空气预冷系统U形竖管超临界流体传热异常问题,对超临界压力甲烷U形竖管内传热行为进行了数值研究。探究了热流密度、质量流量和运行压力对换热的影响,从超临界甲烷管内温度、速度、流动状态及无量纲数变化出发,阐述了超临界甲烷在U形管内异常传热现象形成的机理。结果表明,在较高热流密度(95k W·m~(-2))下,浮升力导致的自然对流是上升直管段内传热恶化的主要原因,运行压力的升高抑制了物性变化,促进了传热恶化向正常传热方向恢复。弯管段内的二次流使混合对流转变为强制对流,二次流形成的迪恩涡改善了径向温度分布不均匀性,强化了弯管段及其后续直管段的传热,且在弯管顶部位置传热的强化作用最为显著。

导流片对弧度弯管输水性能影响的数值模拟

迪恩涡流及螺旋流作为管路中常见的湍涡结构,虽然具有相似的传热传质等功能,但迪恩涡流易引发管路系统振荡,对有压输水管路系统安全产生巨大威胁。通过前人的物理模型试验建立了管径D=50 mm,曲率半径为2.8 D的弯管管路系统,并根据试验数据验证了数学模型。基于模型管段设计了27种导流片组合用以形成螺旋流,模拟了管内多尺度涡流结构,重点分析了涡流在弯管段及出口直管段的流速、压强和湍动能分布。模拟结果表明:涡流的湍动能及湍流强度对管路系统存在不同程度的影响,弯管管路系统的输水能力在湍动能较大、湍流强度较低的条件下相对较高;螺旋流强度对弯管的输水效率及管路系统的安全性影响显著,当管路进口流速V=1.5 m/s时,弯管管路系统在导流片(个数N=8个、高度H=15 mm、偏转角度θ*=60°)作用下,管路输水效率相对提升10.62%,管路事故风险概率相对降低24.41%。研究成果可为长距离螺旋流输送理论及有压管路系统优化提供技术指导。

90°弯管流动预测评估及流动特性研究

采用两种不同的计算方案对弯管内的流动进行数值计算,并与试验值进行对比,分析6种不同湍流模型对弯管内流动预测的影响。结果表明,SKE模型配合壁面函数法和RNG以及RKE湍流模型的预测能力类似,都能大致预测出管内流动的分布规律,但对弯管内侧区域速度扭曲的计算结果与试验值存在明显差异,而SST k-ω湍流模型给出的计算结果与试验值最为符合。基于SST k-ω湍流模型的计算结果研究迪恩涡的发展规律,重点讨论迪恩涡的发展、消失过程,可为后续磨损预测的分析奠定理论基础。

编织型中空纤维膜污染与浓差极化的试验研究

导致膜污染和浓差极化的主要因素有:悬浮液浓度、颗粒粒径、颗粒表面性质、膜材料以及膜表面的流态等。设计的一组试验证明了上述因素导致膜污染与浓差极化对膜处理的危害性;同时也证明了在中空纤维膜中,Dean涡这种不稳定流能较大程度地降低膜污染与浓差极化,降低的程度取决于Dean涡的优化参数。

迪恩涡编织型中空纤维膜分离黏土悬浮液研究

研究了一种新型编织中空纤维超滤膜,分析了这种膜对纯水和黏土悬浮液的分离效果,比较了同类型中直线型超滤膜的性能差别,对不同浓度黏土悬浮液渗透通量衰减性能、渗透回收率和能量消耗进行了对比试验.结果表明,由于迪恩涡的强化传质作用,编织型中空纤维膜过滤黏土悬浮液时极限渗透流量比线性中空纤维膜高40%～110%,而单位渗透流量的能耗只有线性中空纤维膜的50%～70%,且随污染物浓度升高,极限渗透流量的改善和单位渗透流量的能耗降低效果更明显.

基于迪恩涡流的流式三维聚焦芯片设计和仿真

根据迪恩涡流理论,设计了一个利用平面微加工工艺可以制作的流式三维聚焦芯片,并用FLUENT进行了仿真分析。研究了在弯管结构中,迪恩涡流的变化过程,以及样品被聚焦的过程。分析了不同的样品流速、鞘液流速对聚焦效果的影响。仿真结果验证了流式三维聚焦芯片的功能,并为三维聚焦系统控制提供了依据。

在中空纤维膜中利用二次流降低膜污染的优化设计参数

从二次流的角度对中空纤维膜进行了降低膜污染的理论和试验设计 ,为该研究方向指出了主要试验条件和内容。

一种基于多重涡流新型微混合器的设计与实验

设计了一种基于多重涡流的新型微混合器结构。该结构中多个呈反向分布的规则排列的扩张和收缩结构可产生迪恩流与扩张涡流,基于此,可进行高效率的被动式混合。首先阐述了该结构产生内部迪恩流和扩张涡流的机理,并利用COMSOL软件对该结构进行了液流混合过程的三维数值模拟验证,分析了不同流体流速对多重涡流强弱和混合程度的影响。最后制作了该微混合器,利用2种不同的染料进行了混合实验,通过分析样品的混合效果验证了该混合器的性能。仿真和实验结果均表明:该混合器在低输入流速(0.01μL/s)和高输入流速(7μL/s)下均可实现高效快速的混合,在0.8 cm的距离内即可实现完全混合,在输入流速为5μL/s时最高混合效率可达98.6%。

螺旋弯管内流动与传热特性的数值模拟

针对螺旋弯管内的流动与传热特性,以螺旋弯管传热试验中试验件模型为研究对象,基于Realizable k-ε湍流模型、第一类热边界条件下的薄壁热阻模型,对不同进口来流条件下,采用Fluent对螺旋弯管内水的流动与换热进行数值模拟.计算得到了螺旋弯管内速度场与温度场的分布,通过数值模拟结果与试验结果的比较,验证了数值模拟方法的正确性.结果表明:随着进口来流雷诺数的增大,螺旋弯管内的二次流迪恩涡核心向弯管管壁扩张;在螺旋弯管小曲率比、来流雷诺数2 280~6 000内,螺旋弯管的强化换热综合性能最佳;对模拟结果数据利用多元线性回归法,推导出螺旋弯管内换热努赛尔数、进出口压力降的准则关系式.研究结果可为螺旋管式换热器设计与优化提供一定的参考依据.

流体流动状态对超滤效率及膜污染的影响

超滤技术作为膜分离技术的一种 ,由于具有效率高、能耗低等优点已经被多种行业广泛应用。但是 ,浓差极化和膜污染却极大降低膜分离效率 ,成为制约膜分离技术推广应用的重要因素。解决和减轻浓差极化和膜污染的方法有很多 ,本文着重于流体流动状态对浓差极化和膜污染的影响进行了论述。

超大宽高比螺旋板式微通道对O/W乳状液的破乳研究

设计加工出一种高分离通量的三维螺旋板式微通道(three-dimensional spiral plate-type microchannel,3D-SPM),利用该微通道内的亲油疏水表面与三维螺旋微结构之间的耦合作用,强化了对水包油(O/W)型乳状液的破乳过程。结合计算机模拟方法,研究了微通道片数、乳状液体积流速、停留时间对破乳率的影响。实验结果表明:随着微通道片数的增加,破乳率增加,破乳后的液滴粒径逐渐减小;随着乳状液体积流速的增加,破乳率呈先上升后下降的趋势,体现出通道的表面作用和Dean涡流作用的耦合效果,最大单次破乳率为25%;随着停留时间的增加,破乳率增加,8次循环破乳后,最大破乳率为85.9%。通过计算机模拟发现:随着流速增加,微通道矩形截面中Dean涡流的个数及强度随之增加,涡流区域不断向上下壁面拓展,当体积流速为8 ml/min时Dean涡流的个数达到最大为2对,此时壁面剪切速率为5527 s-1,达到最大破乳率,进一步提升流速,由于壁面处剪切速率和Dean涡流扰动过大,导致破乳率降低。

在中空纤维膜中Dean涡降低浓差极化的试验研究

膜污染与浓差极化是不同的概念,两者是相互关联、相互影响的,浓差极化使膜表面被截留组分浓度提高,从而加速了膜污染过程的,而膜污染使部分膜孔堵塞,又会促使局部浓差极化的加剧.因而,膜污染与浓差极化成因果关系,浓差极化是导致膜渗流量下降和分离效率降低的原因.在中空纤维膜中,Dean涡这种不稳定流能有效地将膜靠近膜壁的浓差极化现象大大消除.通过设计一组试验,证明了浓差极化的危害性和Dean涡能较大程度的降低浓差极化.从能耗的观点上说,试验结果表明,有Dean涡存在的编织型中空纤维膜,其能耗低于直线型,其渗透流量和回收率高.图12.参19.

Laminar Forced Convection in Curved Channel with Vortex Structures

Theoretical and experimental investigations of heat transfer in flat curvilinear channel have been carried out. Linear and non-linear effects of Dean vortexes on intensity of heat transfer were taken into account. The linear effect, which describe harmonic (sinuous) variation of the heat transfer coefficient near the concave surface of the channel and the non-linear effect causes the general increase of the heat transfer coefficient due to augmentation of heat transfer engendered by the Dean vortexes. For both effects, mathematical relations were obtained in the form of quadratures. These numerical results were modified to the form convenient in engineering calculations. The investigations have shown that both linear and nonlinear components grow up with the Dean number. Nonlinear component Q0T increases more abruptly, while the linear one Q1T is more conservative. This is a confirmation of stability of vortex structures.

螺旋管内迪恩涡强化传热的试验研究

在第一类边界条件下,从迪恩涡理论出发,采用7种不同几何参数的螺旋铜管以及直铜管进行了传热试验,得到了螺旋管内流体的努塞尔特数、压降以及强化传热综合评价因子随雷诺数、曲率比以及扭率的变化规律。试验结果表明:螺旋管的努塞尔特数和压降均高于直管,且随着曲率比、雷诺数的增大而增大;扭率对努塞尔特数的影响不明显,但扭率增大会引起压降降低;螺旋管的强化传热综合性能评价因子在任何雷诺数、曲率比、扭率下均大于1。在较低雷诺数条件下螺旋管具有很好的强化传热性能。