CN110215847B - 一种流固耦合模型模拟中空纤维膜膜丝抖动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流固耦合模型模拟中空纤维膜膜丝抖动方法，包括以下步骤：步骤一：将膜丝在水中浸泡四小时，采用机械拉伸仪测量拉伸横向形变和纵向形变，从而得到膜丝在水中的杨氏模量来描述线性弹性材料的物理性质和泊松比来表示横向应变与纵向应变的比值，本发明通过设置一套实验方法可以有效测量中空纤维膜膜丝的机械性能，包括拉伸性，弹塑性。并建立一套系统地分析中空纤维膜机械性能技术，可以有效模拟弹塑性中空纤维膜受力而导致地形变与位移的计算机数值模型，还通过设置的创新性的计算机流固耦合模拟的方法，并可以有效应用于膜组器设计中针对不同膜丝机械性能来给出最优松散度设计的建议。
Description
技术领域
本发明涉及模型模拟利用技术，具体是一种流固耦合模型模拟中空纤维膜膜丝抖动方法。
背景技术
膜生物反应器(MBR)是膜分离技术和生物技术的有机结合。用超滤或微滤膜分离技术取代传统的活性污泥法的二沉池和常规过滤单元，使水力停留时间(HRT)和泥龄(STR)完全分离。其高效的固液分离能力使出水水质良好，悬浮物和浊度接近于零，并可截留大肠杆菌等生物性污染物，处理后出水可直接回用，出水水质要明显优于传统污水处理工艺，是一种高效、经济的污水资源化技术。近些年来，由于该项技术所具有的巨大优势和潜在的应用前景，受到了众多研究者和用户的青睐，也正因如此，对MBR性能提升和优化的努力从未停止。
中空纤维膜膜组器安装设计时通常留有一定的松散度让膜丝在实际运行和反冲洗过程中可以一定程度地自由抖动。张紧固定膜丝会使膜丝内产生一定的初始张应变，可能使膜丝在注胶处容易开裂，而影响膜组器使用寿命。反之，松散度过大则会导致剧烈地膜丝抖动，也会使膜丝疲劳度增加而缩短膜组器使用寿命。所以目前市面上膜组器通常采用1％到5％的松散度的设计。而对于不同膜丝机械性能，比如膜丝半径，膜丝硬度，伸展性等，其对应的最优膜丝松散度来实现有效的膜污染控制而不影响膜丝使用寿命是不一致的。而膜生物反应器内水力学情况复杂。气泡上升流产生局部紊流致使膜丝表面受力不均而产生形变与位移。同时，膜丝的抖动也相应影响流场内的水流分布，所以气泡流产生的膜丝抖动是一个气液固三相相互作用的而又同时具有瞬变性特征的特殊物理现象。研究学者采用传统的实验方法研究得出膜丝抖动可以有效去除膜污染。但是采用实验方法来辅助优化设计膜组器需要的工作量太大，并且难以做到将各个因素综合考虑来分析其对于MBR系统表现的影响。所以很多研究学者采用计算机数值模拟来相应研究，然而当前的计算机数值模型尚不成熟，并没有考虑膜丝自身机械性能对于其自由抖动的影响(Zananiet al.,2013)。而有机膜机械性能相对复杂，当前对于膜丝机械性能的研究也很局限，没有一套系统的实验方法来实现全面测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流固耦合模型模拟中空纤维膜膜丝抖动方法。
本发明所要解决的技术问题为：
(1)如何开发一个创新性的计算机流固耦合模拟的方法；
(2)如何开发一个计算流体力学模型模拟小气泡曝气导致的两相流；
(3)如何开发一个相应的计算有限元模型模拟中空纤维膜受外力后的形变与位移；
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种流固耦合模型模拟中空纤维膜膜丝抖动方法，包括以下步骤：
步骤一：将膜丝在水中浸泡四小时，采用机械拉伸仪测量拉伸横向形变和纵向形变，从而得到膜丝在水中的杨氏模量来描述线性弹性材料的物理性质和泊松比来表示横向应变与纵向应变的比值；
步骤二：设置一个模拟对象用于计算有限元模型模拟中空纤维膜受外力后的形变与位移，该结构模拟的线性弹性力学控制公式为
其中σij s为结构受力的切应力张量；Fi为外部力,ρs为结构密度,Di is结构位移,t为时间，将柯西切应力张量定义为
其中E和v分别为步骤一中试验校核的杨氏模量和泊松比,εkk和εij为应变张量，模型中膜丝两端模拟为固定端，膜丝表面设置为固液交界面；
步骤三：设置一个计算流体力学模型模拟小气泡曝气导致的两相流；
步骤四：建立流固耦合模型建模，在以上模型的基础上建立一个双向流固耦合模型模拟气泡上升流引起的膜丝抖动现象，在每一个计算时间步，由步骤三中计算流体力学模拟得到的膜丝表面的切应力和压力传送到步骤二的计算有限元模型中模拟中作为对应的膜丝表面受力，通过公式
计算出膜丝表面受力，其中n为垂直膜丝表面的方向矢量，σij f为从计算流体力学模拟计算的膜丝受力；
步骤五：模拟验证得出结果。
进一步地，所述步骤一中的模拟对象为30cm长，两端固定，膜丝外径1.3mm内径0.65mm的单根中空纤维膜。
进一步地，所述步骤二中的流体力学模拟的模拟地形为包裹步骤二中模拟膜丝的400mm高，50mm直径的圆柱体流场区域，网格采用六面体结构化网格，尤其对于膜丝表面附近采用网格局部加密。
进一步地，所述步骤四中在有限元模型中模拟的固液交界面处的局部位移也被传送到计算流体力学中的膜丝表面位置作为移动的边界条件，通过公式：
计算出边界限定，其中Di f和Di s分别代表流场中的膜丝表面位移和有限元模拟中的固液交界面位移。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过设置一套实验方法可以有效测量中空纤维膜膜丝的机械性能，包括拉伸性，弹塑性。并建立一套系统地分析中空纤维膜机械性能技术，以填补现有技术的空白；
(2)通过设置相应的计算有限元模型模拟中空纤维膜受外力后的形变与位移，可以有效模拟弹塑性中空纤维膜受力而导致地形变与位移的计算机数值模型；
(3)本发明通过设置的创新性的计算机流固耦合模拟的方法，结合计算流体力学模拟和结构模拟来准确模拟松散固定的膜丝在气泡流内的自由抖动，并可以有效应用于膜组器设计中针对不同膜丝机械性能来给出最优松散度设计的建议。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的模拟地形图；
图2为本发明的模拟流程图；
图3为本发明膜丝中点位移随时间的变化趋势与实验测量结果表；
图4为本发明在膜丝位移与表面平均切应力随时间变化的趋势表；
图5为本发明不同松散度下膜丝表面平均切应力变化表。
具体实施方式
如图1-5所示，一种流固耦合模型模拟中空纤维膜膜丝抖动方法，包括以下步骤：
步骤一：将膜丝在水中浸泡四小时，采用机械拉伸仪测量拉伸横向形变和纵向形变，从而得到膜丝在水中的杨氏模量来描述线性弹性材料的物理性质和泊松比来表示横向应变与纵向应变的比值；
步骤二：设置一个模拟对象用于计算有限元模型模拟中空纤维膜受外力后的形变与位移，该结构模拟的线性弹性力学控制公式为
其中σij s为结构受力的切应力张量；Fi为外部力,ρs为结构密度,Di is结构位移,t为时间，将柯西切应力张量定义为
其中E和v分别为步骤一中试验校核的杨氏模量和泊松比,εkk和εij为应变张量，模型中膜丝两端模拟为固定端，膜丝表面设置为固液交界面；
步骤三：设置一个计算流体力学模型模拟小气泡曝气导致的两相流；
步骤四：建立流固耦合模型建模，在以上模型的基础上建立一个双向流固耦合模型模拟气泡上升流引起的膜丝抖动现象(如图2所示)，在每一个计算时间步，由步骤三中计算流体力学模拟得到的膜丝表面的切应力和压力传送到步骤二的计算有限元模型中模拟中作为对应的膜丝表面受力，通过公式
计算出膜丝表面受力，其中n为垂直膜丝表面的方向矢量，σij f为从计算流体力学模拟计算的膜丝受力；
步骤五：模拟验证得出结果。
所述步骤一中的模拟对象为30cm长，两端固定，膜丝外径1.3mm内径0.65mm的单根中空纤维膜。
所述步骤二中的流体力学模拟的模拟地形为包裹步骤二中模拟膜丝的400mm高，50mm直径的圆柱体流场区域(如图1所示)，网格采用六面体结构化网格，尤其对于膜丝表面附近采用网格局部加密，整个圆柱体流场侧边界设置为对称界面，膜丝表面粗糙度通过原子力显微镜测量得到，流场底端设置为气泡进口，进口曝气量为4.7Nm3/hr，液面设置为出气界面，采用欧拉方法模拟气液两相流，其中液相模拟为水，气相模拟为不可压缩空气，同时为减小计算量对非连续的气相模拟作以下假设：
(1)气泡为标准球形且大小均一为3mm；
(2)气泡初始上升速度均一，为0.25m/s；
(3)气泡间无碰撞，融合和单个气泡破碎为多个气泡的现象。
这些假设在模拟膜生物反应器的计算流体力学模型中广泛使用，并不影响计算精度，气泡流产生的紊流采用RNG k-ε紊流模型来模拟。
所述步骤四中在有限元模型中模拟的固液交界面处的局部位移也被传送到计算流体力学中的膜丝表面位置作为移动的边界条件，通过公式：
计算出边界限定，其中Di f和Di s分别代表流场中的膜丝表面位移和有限元模拟中的固液交界面位移。
模型验证通过实验测量膜丝中点随时间的位置变化与模拟得到的膜丝中点位移数据作比较得到(如图3所示)，从模拟结果可以看出1％松散固定的聚丙烯膜丝在模拟开始的前10秒钟内只有微小位移。在模拟时间10秒到35秒期间，膜丝中点开始出现类周期性运动规律，平均位移为5.5厘米，周期为6到8秒。实验中也观测到膜丝做近似周期性运动，测得膜丝中点平均位移为6.0±1.1厘米，周期为7.7±1.0秒。模拟位移和周期与实验测得结果相比的误差分别为8.3％和9.1％，证明本专利建立的流固耦合模型用于模拟气泡上升流引起的膜丝抖动的精度较高；
抖动膜丝表面切应力随时间的变化，10秒钟后，膜丝表面面积平均切应力也相应产生不规则周期性变化。其中靠近膜丝底部(z＝75mm)模拟得出的平均频率为0.57Hz，而在膜丝中部(z＝150mm)和上部(z＝225mm)平均频率较低为0.36Hz(如图4所示)，同时，模拟得到的膜丝表面时均平均切应力在靠近膜丝顶部位置(z＝225mm)为1.06(±0.57)Pa，随着高度的降低逐渐减小到膜丝中部(z＝150mm)测得的0.73(±0.41)Pa和上部(z＝225mm)测得的0.73(±0.51)Pa，考虑膜丝局部位移可以得出，在膜丝靠近底部固定端部分以较小的振动位移，较高的频率抖动，而在膜丝靠近中间段部分，膜丝做低频大位移的抖动，
膜丝松散度对于膜丝表面切应力的影响，通过模拟结果表明，膜表面的平均切应力随着膜丝的松散度增加而增大。1％松散度膜丝的整根膜丝表面的时均面积平均切应力为1.13Pa，为张紧固定膜丝的2.7倍(如图5所示)，将膜丝松散度从1％减少到0.5％时，膜丝表面平均切应力减少了50％。所以增加膜丝的固定松散度可以有效提高膜丝表面切应力，有可能使膜污染控制效率增强。
首先本发明通过设置一套实验方法可以有效测量中空纤维膜膜丝的机械性能，包括拉伸性，弹塑性。并建立一套系统地分析中空纤维膜机械性能技术，以填补现有技术的空白；
其次通过设置相应的计算有限元模型模拟中空纤维膜受外力后的形变与位移，可以有效模拟弹塑性中空纤维膜受力而导致地形变与位移的计算机数值模型；
最后本发明通过设置的创新性的计算机流固耦合模拟的方法，结合计算流体力学模拟和结构模拟来准确模拟松散固定的膜丝在气泡流内的自由抖动，并可以有效应用于膜组器设计中针对不同膜丝机械性能来给出最优松散度设计的建议。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种流固耦合模型模拟中空纤维膜膜丝抖动方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将膜丝在水中浸泡四小时，采用机械拉伸仪测量拉伸横向形变和纵向形变，从而得到膜丝在水中的杨氏模量来描述线性弹性材料的物理性质和泊松比来表示横向应变与纵向应变的比值；
步骤二：设置一个模拟对象用于计算有限元模型模拟中空纤维膜受外力后的形变与位移，该结构模拟的线性弹性力学控制公式为
其中xj为结构受力的切应力张量；Fi为外部力,Ps为结构密度,Di为结构位移,t为时间，将柯西切应力张量定义为
其中E和v分别为步骤一中试验校核的杨氏模量和泊松比,εkk和εij为应变张量，模型中膜丝两端模拟为固定端，膜丝表面设置为固液交界面；
步骤三：设置一个计算流体力学模型模拟小气泡曝气导致的两相流；
步骤四：建立流固耦合模型建模，在以上模型的基础上建立一个双向流固耦合模型模拟气泡上升流引起的膜丝抖动现象，在每一个计算时间步，由步骤三中计算流体力学模拟得到的膜丝表面的切应力和压力传送到步骤二的计算有限元模型中，并在模拟中作为对应的膜丝表面受力，通过公式σs ijn＝σf ijn计算出膜丝表面受力，其中n为垂直膜丝表面的方向矢量，σf ijn为从计算流体力学模拟计算的膜丝受力；
步骤五：模拟验证得出结果。
2.根据权利要求1所述的一种流固耦合模型模拟中空纤维膜膜丝抖动方法，其特征在于，所述步骤一中的模拟对象为30cm长，两端固定，膜丝外径1.3mm内径0.65mm的单根中空纤维膜。
3.根据权利要求1所述的一种流固耦合模型模拟中空纤维膜膜丝抖动方法，其特征在于，所述步骤二中的流体力学模拟的模拟地形为包裹步骤二中模拟膜丝的400mm高，50mm直径的圆柱体流场区域，网格采用六面体结构化网格，对于膜丝表面附近采用网格局部加密。
4.根据权利要求1所述的一种流固耦合模型模拟中空纤维膜膜丝抖动方法，其特征在于，所述步骤四中在有限元模型中模拟的固液交界面处的局部位移也被传送到计算流体力学中的膜丝表面位置作为移动的边界条件，通过公式：Di f＝Di s计算出边界限定，其中Di f和Di s分别代表流场中的膜丝表面位移和有限元模拟中的固液交界面位移。
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