文献信息：Swaidan B, Ali H I M, Ali K, et al. A
computational fluid dynamics study on TPMS-based spacers in directcontact membrane
distillation modules [J]. Desalination, 2024, 579 117476.（点击文末阅读全文可直达）
1、研究背景
淡水短缺给全球带来了严峻挑战，海水淡化成为解决这一危机的重要途径。膜蒸馏（MD）是一种新兴技术，有望解决当前海水淡化方法的一些局限。MD具有常压运行、高溶质截留率、适用性强等优势。然而MD也存在一些缺点，限制了其广泛应用，包括结垢、润湿以及膜附近的温度和浓度极化。为了克服这些缺点，研究人员开发了多种膜隔网，用于诱导混合、降低温度极化、减轻膜污染并提高渗透通量。
2、创新点
本文重点研究三重周期最小曲面（TPMS）隔网在接触式MD（DCMD）组件中的应用。本研究首次使用计算流体动力学（CFD）模型评估TPMS隔网在DCMD中的性能，填补了现有研究的空白，为TPMS的性能评估提供了新方法；并且利用流线、速度场、涡流场等可视化工具解析了TPMS隔网提高通量的原因。
3、实验设计
本研究使用Star-CCM+软件开发3D CFD模型，模拟空流道、商业隔网和TPMS隔网填充通道的流体流动、传热和传质过程（图1）。CFD模型采用与Sterlitech MD隔槽相同的尺寸（图2），有效膜面积为34cm2，进水温度为75℃，出水温度为40℃，流速为0.9L/min。建模过程针对稳态、不可压缩流体假设隔热模块无热损失并忽略膜变形。最后对模型进行了网格独立性分析和验证，并与文献中的试验数据进行比较。
图1CFD模型的工作流程图
图2 DCMD实验室设置示意图
4、实验结果
4.1 水力学性能
4.1.1 基线情况
本研究使用CFD模型评估了应用无隔网空流道、商用隔网和TPMS隔网（Fischer-Koch S）的组件内蒸馏水的质量通量。结果显示，Fischer-Koch S隔网比商业隔网提高13%的通量，比空流道提高两倍以上。同时，Fischer-Koch S隔网在料液流动方向上显示出最均匀的质量通量（图3），这表明其在增强跨膜传质方面具有优势。同时观察到Fischer-Koch S隔网优越的水力性能，主要由于其相较于商用隔网具有更大的比表面积。
图3 膜/渗透表面质量通量等高线图（a）Fischer-Koch S隔网（b）商用隔网（c）空流道。
图4显示了Fischer-Koch S隔网、商用隔网和空流道在X-Z平面上的流速分布。研究结果显示空流道中速度呈现预期的抛物线速度分布，尽管TPMS的入口速度固定为0.17m/s，但速度更高，这归因于其良好的混合性能。这是由流体层之间的剪切应力引起的流动加速引起的。
图4 X-Z平面中段的速度等高线图(a)Fischer-Koch S隔网；(b)商业隔网；(c)空流道。
涡量在物理上用来表示流场的局部微观旋转，能够用于衡量隔网的水力性能。通过比较Fischer-Koch S隔网和商用隔网的三维涡量场（图5a，b）可以发现前者产生了更高的涡量水平，进一步证明了其良好的混合性能。
图5 通过对（a）Fischer-Koch S隔网和（b）商用隔网的馈源通道进行体积渲染捕获的涡量等值线图。（c）两种隔网设计沿 DCMD 膜组件长度的涡量变化。
通过分析流线来考查任意给定时刻的流动模式可以发现Fischer-Koch S隔网流线更加曲折，局部速度更高，再循环区域更明显（图6）。这增加了传热效率，改善了膜表面的剪切应力，从而提高了DCMD的性能。并且由于壁面剪切的增加还可以减轻膜表面的污染和浓度极化现象。
图6 沿（a）Fischer-Koch S隔网和（b）商用隔网的速度流线。
4.1.2 质量通量和压降的参数研究
由不同进口速度时质量通量和压降的研究可知Fischer-Koch S隔网的平均通量最高，其次是商用隔网，最后是空流道（图7）。这一发现与Fischer-Koch S隔网的拓扑结构导致的膜表面涡量增强是一致的。同时，Fischer-Koch S隔网会造成更高的压降。这与其设计目的相符，即通过诱导湍流来提高通量，同时提升混合效率。相比商业隔网，这一设计具有更大的优势（小编注：不能说压降高具有更大优势，任何膜组件中压降高都不是好事，会造成膜组件变形和能耗损失，只能说其提高湍流、增强剪切力是好的）。
图7 不同入口速度（a）渗透通量和（b）压降下的参数研究。
4.2 热能性
通过分析DCMD组件的热性能，比较TPMS隔网相较于商用隔网和空流道的优势。三种组件中出水口温度均低于进水口温度（图8）。与速度场不同，温度场在隔网填充通道中不具有周期性的重复变化。温度极化（TP）用于描述由于进料侧和渗透侧存在热边界层而导致传热阻力增加的现象。研究发现TPMS隔网具有更高的平均温度极化系数（TPC值）（图9a），这表明其能够有效地减少温度极化现象（小编注：这个说法也有点怪，一般极化系数越高，表明极化程度越严重，这里的意思是TPC越高，极化现象越弱），从而提高通量。努塞尔数（Nu）表示对流换热与传导换热的比值（图9b）。在低雷诺数下，两种隔网的Nu值相似；然而，在更高雷诺数下，Fischer-Koch S隔网表现出更高的Nu值，这与其更好的混合性能有关。
图8 在X-Z平面捕获的温度等高线图（a）Fischer-Koch S隔网（b）商业隔网和（c）空流道。
图9 不同膜组件设计下（a）TPC沿组件长度的变化及（b）不同Re下Nu的变化。
4.3 整体性能评估
标准化功率比（NPR）表示输出功率与输入功率的关系，可以作为不同隔网对DCMD组件整体性能的评价指标。图10绘制了两种隔网在不同雷诺数条件下的NPR值。TPMS隔网的NPR值比商用隔网高12%，表明其整体性能更优；泵功率与加热功率的比例低于0.1%，说明机械能耗在总功率消耗中占比较小。
图10 不同雷诺数（Re）下的标准化功率（NPR）。
5、总结与启发
在本研究中，首次使用CFD在DCMD膜组件中评估了一种新型隔网设计，及基于Fischer-Koch S的隔网。结果表明，Fischer-Koch S隔网具有更高的流体速度和更好的混合，且具有更高的剪切应力，具有减轻污垢的潜力。CFD模型可以有效地模拟DCMD模块的流体流动、传热和传质过程，为隔网的设计和性能评估提供重要的工具。
本文中TPMS隔网会导致更高的压力降，这可能会增加能耗和设备成本。虽然TPMS隔网具有减轻膜污染的潜力，但其效果取决于具体的污染类型和操作条件，可以针对不同的污染类型，开发相应的膜污染控制策略，以进一步提高隔网性能。
导师点评：这篇文章中规中矩，创新性不强，可以作为一篇入门级学习膜组件隔网模拟的工作。
以上内容为个人阅读文献总结和学术见解，不代表本公众号和原文作者观点，如有错误，欢迎在留言区指出。
