小型電催化膜組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流場(chǎng)仿真分析

李雙戎，朱孟府*，鄧 橙，趙 蕾，李 猛，王 尹，龔春河，劉紅斌

（1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津 300161；2.解放軍32142部隊(duì)，河北保定 071000）

0 引言

眾所周知，水是生命之源，為軍隊(duì)提供安全、衛(wèi)生的飲用凈水早已成為軍隊(duì)后勤保障的重要任務(wù)，尤其在野戰(zhàn)條件下飲水安全保障顯得尤為重要。近年來(lái)，水質(zhì)污染嚴(yán)重，給部隊(duì)在某些特殊環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)帶來(lái)很大困擾。

為保障飲水安全，國(guó)內(nèi)外已研制出多種凈水裝備[1-3]，其中絕大多數(shù)凈水裝備采用膜分離技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)凈化。常用的膜分離技術(shù)[4]包括微濾、超濾、納濾、反滲透和電滲析等。膜組件是凈水裝備的核心部件，主要有板式和管式2種。板式膜組件制造簡(jiǎn)單、組裝與拆卸方便、易清洗；管式膜組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、通量大。以壓力為驅(qū)動(dòng)力的膜組件由分離膜、支撐體、間隔物及外殼等零部件組成，如超濾膜組件、反滲透膜組件；以電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力的膜組件由分離膜、電極、間隔物及外殼等零部件組成，如電滲析膜組件、電去離子膜組件。

電催化膜[5-9]是一種將膜分離技術(shù)和電催化氧化技術(shù)組合起來(lái)的分離膜，主要有金屬膜和炭膜，結(jié)構(gòu)分為管式和板式。電催化膜分離是一種新型的凈水技術(shù)，目前還處于技術(shù)研究階段，還沒(méi)能將電催化膜技術(shù)集成為電催化膜組件用于實(shí)際凈水裝備中。為了盡快將電催化膜技術(shù)應(yīng)用于凈水裝備，本文依據(jù)電催化膜凈水技術(shù)，采用SolidWorks和COMSOL軟件對(duì)小型電催化膜組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析，以實(shí)現(xiàn)電催化膜組件的凈水功能。

1 小型電催化膜組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 電催化膜凈水技術(shù)

電催化膜凈水技術(shù)是以電催化膜為陽(yáng)極、導(dǎo)電材料為陰極，在直流電場(chǎng)作用下產(chǎn)生強(qiáng)氧化性自由基滅活微生物，并通過(guò)氧化作用把難降解的有機(jī)污染物分解為CO2、H2O或其他簡(jiǎn)單化合物，可提高分離膜的凈水效果，同時(shí)可有效緩解膜分離技術(shù)中常會(huì)出現(xiàn)的膜污染問(wèn)題[10-11]。電催化膜主要以無(wú)機(jī)多孔膜材料為基體，經(jīng)金屬或金屬氧化物表面修飾制備，具有能耗低、不易污染和易于清洗等優(yōu)點(diǎn)。電催化膜外接直流電壓通常在3 V左右，電流小于0.1 A。

1.2 小型電催化膜組件設(shè)計(jì)

1.2.1 主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型電催化膜組件的主要零部件包括電催化膜、金屬網(wǎng)、外殼和密封件。

電催化膜為管式炭膜，設(shè)計(jì)為小型電催化膜組件的陽(yáng)極，為自制[12-15]，孔徑為0.1μm，孔隙率為30%，內(nèi)徑為4 mm，外徑為10 mm，長(zhǎng)為100 mm。

金屬網(wǎng)為管式鈦網(wǎng)，設(shè)計(jì)為小型電催化膜組件的陰極，為菱形網(wǎng)孔，內(nèi)徑為14 mm，外徑為16 mm，長(zhǎng)為90 mm，網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為1.4 mm。

外殼由上蓋、殼體、密封圈和下蓋組成，主要起到部件固定、連接和密封作用，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。外殼的底部設(shè)有密封圈1和密封圈2，密封圈1設(shè)于殼體與下蓋之間，密封圈2設(shè)于下蓋內(nèi)部。殼體上部外側(cè)有螺紋。殼體和上蓋之間通過(guò)螺紋配合，和下蓋之間通過(guò)卡扣連接。

圖1 外殼結(jié)構(gòu)示意圖

密封件由壓蓋、固定座、密封套、導(dǎo)線和密封圈組成，主要是防止流體從相鄰結(jié)合面間滲漏以及將導(dǎo)線包裹密封，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。密封件的固定座和壓蓋相互配合，并將陰極導(dǎo)線和陽(yáng)極導(dǎo)線隔離密封于其內(nèi)。密封圈3和密封圈4與固定座相連接。陽(yáng)極密封套、陰極密封套設(shè)于固定座內(nèi)。陽(yáng)極密封套包覆于陽(yáng)極導(dǎo)線的外部，用于密封陽(yáng)極導(dǎo)線；陰極密封套包覆于陰極導(dǎo)線的外部，用于密封陰極導(dǎo)線。

圖2 密封件結(jié)構(gòu)示意圖

密封件的主要零件為壓蓋和固定座。壓蓋為柱形，設(shè)計(jì)有固定接口、陰極連線口和陽(yáng)極連線口，可以密封陰極導(dǎo)線和陽(yáng)極導(dǎo)線，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。固定座為柱形，包括固定接頭、陰極連線口、陽(yáng)極連線口、電催化膜接口和金屬網(wǎng)接口，用來(lái)固定電催化膜和金屬網(wǎng)，密封陰極密封套和陽(yáng)極密封套，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖3 壓蓋結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 固定座結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)電催化膜凈水技術(shù)與主要零部件的選型與設(shè)計(jì)，利用SolidWorks軟件對(duì)小型電催化膜組件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[16-17]（如圖5所示），整體為管狀結(jié)構(gòu)。小型電催化膜組件外殼上設(shè)計(jì)有進(jìn)水口和出水口，內(nèi)徑均為4 mm，進(jìn)水口位于組件底部，出水口位于殼體上部側(cè)面。電催化膜設(shè)于殼體內(nèi)部，與進(jìn)水口同軸，金屬網(wǎng)同軸設(shè)于電催化膜外，電催化膜及金屬網(wǎng)的頂端均連接導(dǎo)線，便于與電源連接。小型電催化膜組件工作時(shí)，陽(yáng)極導(dǎo)線和陰極導(dǎo)線分別連接外接直流電源的正極和負(fù)極，待凈化的水通過(guò)進(jìn)水口進(jìn)入該組件，在膜分離和電場(chǎng)作用下凈化后經(jīng)出水口流出。

圖5 小型電催化膜組件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3 主要性能參數(shù)

小型電催化膜組件外形尺寸為23 mm×30 mm×150 mm（長(zhǎng)×寬×高），其中殼體（不包含出水口）尺寸為?23×109 mm，進(jìn)水口尺寸為?8×15 mm，出水口尺寸為?8×7 mm；質(zhì)量為150 g。其水流量為100mL/min，操作壓力為0.1 MPa，操作電壓為DC 3 V。

2 小型電催化膜組件流場(chǎng)仿真分析

2.1 流場(chǎng)仿真模型建立

小型電催化膜組件在電催化膜凈水過(guò)程中，將其簡(jiǎn)化為理想狀態(tài)，即忽略水中固體顆粒及氣體的影響，水流不可壓縮，動(dòng)力黏度不隨速度梯度的改變而變化，凈水過(guò)程視為穩(wěn)態(tài)[18-20]。設(shè)水的溫度為25℃，運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)v=1.004×10-6m2/s，入口圓管內(nèi)徑D=4 mm，入口流體流量為100 mL/min，即流速U=0.13 m/s。圓管流雷諾數(shù)Re計(jì)算公式如下：

式中，U為流速，單位為m/s；D為圓管內(nèi)徑，單位為m；v為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，單位為m2/s。

經(jīng)公式（1）計(jì)算得到Re為518，即Re<2 000，說(shuō)明流場(chǎng)處于層流狀態(tài)。由于電催化膜為多孔介質(zhì)，因此流場(chǎng)模型設(shè)為多孔介質(zhì)自由流動(dòng)。

采用N-S方程（Navier-Stokes equation）來(lái)描述小型電催化膜組件中流體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量守恒，如公式（2）所示：

采用連續(xù)性方程來(lái)描述小型電催化膜組件中流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒，如公式（3）所示：

聯(lián)立公式（2）和（3）即可求解小型電催化膜組件中流體流動(dòng)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。

圖6為建立的小型電催化膜組件幾何模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)本組件建立實(shí)際體積一半的模型，采用對(duì)稱設(shè)置，并忽略一些對(duì)流場(chǎng)影響小的零部件，如金屬網(wǎng)。流場(chǎng)邊界條件設(shè)置入口面、出口面和對(duì)稱面，其余各面均設(shè)置成無(wú)滑移壁面，入口流體速度設(shè)為0.13 m/s。

圖6 小型電催化膜組件幾何模型

2.2 流場(chǎng)仿真分析結(jié)果

仿真分析所設(shè)定的電催化膜為微孔管式膜，孔隙率為30%，內(nèi)徑為4 mm，外徑為10 mm，長(zhǎng)為100 mm。采用COMSOL軟件中的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）模塊對(duì)本組件進(jìn)行流場(chǎng)仿真，分析其速度分布和壓力分布。采用物理場(chǎng)控制網(wǎng)格的方式劃分網(wǎng)格，結(jié)果如圖7所示。網(wǎng)格包括四面體單元8 004個(gè)、金字塔單元130個(gè)、棱柱單元3 491個(gè)、三角形單元3 220個(gè)、四邊形單元487個(gè)、邊單元720個(gè)以及頂點(diǎn)單元52個(gè)。

圖7 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2.1 速度分布

圖8為本組件流場(chǎng)仿真速度切面圖。由圖8可知，流體入口速度為0.13 m/s，進(jìn)入組件中心管道以后，前部速度為0.10～0.25 m/s，后部速度為0.05～0.10 m/s；通過(guò)多孔介質(zhì)微孔管式膜進(jìn)入組件腔體以后，受微孔管式膜的阻力影響，速度降為0.05 m/s；進(jìn)入出口管道以后速度逐漸升高，流體流出時(shí)和流入時(shí)速度基本保持一致，約為0.13 m/s，說(shuō)明本組件中的膜元件選配合理。

圖8 速度切面圖

圖9為本組件流場(chǎng)仿真速度場(chǎng)圖，能直觀地描述流場(chǎng)的空間分布。由圖9可知，水流從小型電催化膜組件進(jìn)水口流入中心管道，隨后透過(guò)電催化膜進(jìn)入腔體，從出水口流出。本組件內(nèi)部水體流動(dòng)整體較為平穩(wěn)，但后端存在一些亂流，這是因?yàn)楸窘M件后端需要外接電源，因此出水口沒(méi)有設(shè)于后端，最后端的水流無(wú)法直接流進(jìn)出水口。

圖9 速度場(chǎng)圖

2.2.2 壓力分布

圖10為本組件流場(chǎng)仿真壓力切面圖。從圖中可以看出，水流流入進(jìn)水口時(shí)壓力最大，約為8 kPa；隨著水流在進(jìn)水管中流動(dòng)，壓力逐漸減小，進(jìn)入中心管道后壓力范圍為4～5 kPa，并且中心管道的壓力波動(dòng)很小，其后基本保持平穩(wěn)；水流在電催化膜的壓力要小于中心管道，范圍為2～3 kPa，并且壓力基本保持平穩(wěn)；流過(guò)膜壁進(jìn)入腔體后，壓力范圍為1～2 kPa，出水口壓力約為1 kPa。因此，本組件在流體流動(dòng)過(guò)程中，所受壓力較為平穩(wěn)，組件的零部件與流體配合較好、布局合理、選型得當(dāng)。

圖10 壓力切面圖

3 結(jié)語(yǔ)

本研究采用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件，依據(jù)電催化膜凈水技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了以電催化膜為陽(yáng)極、金屬網(wǎng)為陰極的小型電催化膜組件。并采用COMSOL仿真軟件，通過(guò)模型構(gòu)建和網(wǎng)格劃分，分析了小型電催化膜組件流場(chǎng)的速度分布和壓力分布，其主要管路速度分布和壓力分布均勻。小型電催化膜組件設(shè)計(jì)合理，可作為單兵電催化膜凈水器的重要功能元件，在水質(zhì)凈化及軍隊(duì)飲水衛(wèi)生方面具有重要的實(shí)用價(jià)值。但是本組件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還存在不易拆卸的不足，后續(xù)研究中考慮增加金屬?gòu)椈蓙?lái)連接電催化膜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電催化膜的易拆卸。