小型電催化膜組件的結構設計及流場仿真分析

李雙戎，朱孟府*，鄧 橙，趙 蕾，李 猛，王 尹，龔春河，劉紅斌

（1.軍事科學院系統工程研究院衛勤保障技術研究所，天津 300161；2.解放軍32142部隊，河北保定 071000）

0 引言

眾所周知，水是生命之源，為軍隊提供安全、衛生的飲用凈水早已成為軍隊后勤保障的重要任務，尤其在野戰條件下飲水安全保障顯得尤為重要。近年來，水質污染嚴重，給部隊在某些特殊環境中執行任務帶來很大困擾。

為保障飲水安全，國內外已研制出多種凈水裝備[1-3]，其中絕大多數凈水裝備采用膜分離技術進行水質凈化。常用的膜分離技術[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。板式膜組件制造簡單、組裝與拆卸方便、易清洗；管式膜組件結構簡單、適應性強、通量大。以壓力為驅動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；以電場為驅動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和電催化氧化技術組合起來的分離膜，主要有金屬膜和炭膜，結構分為管式和板式。電催化膜分離是一種新型的凈水技術，目前還處于技術研究階段，還沒能將電催化膜技術集成為電催化膜組件用于實際凈水裝備中。為了盡快將電催化膜技術應用于凈水裝備，本文依據電催化膜凈水技術，采用SolidWorks和COMSOL軟件對小型電催化膜組件進行結構設計和仿真分析，以實現電催化膜組件的凈水功能。

1 小型電催化膜組件結構設計

1.1 電催化膜凈水技術

電催化膜凈水技術是以電催化膜為陽極、導電材料為陰極，在直流電場作用下產生強氧化性自由基滅活微生物，并通過氧化作用把難降解的有機污染物分解為CO2、H2O或其他簡單化合物，可提高分離膜的凈水效果，同時可有效緩解膜分離技術中常會出現的膜污染問題[10-11]。電催化膜主要以無機多孔膜材料為基體，經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點。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計

1.2.1 主要零部件的結構設計

小型電催化膜組件的主要零部件包括電催化膜、金屬網、外殼和密封件。

電催化膜為管式炭膜，設計為小型電催化膜組件的陽極，為自制[12-15]，孔徑為0.1μm，孔隙率為30%，內徑為4 mm，外徑為10 mm，長為100 mm。

金屬網為管式鈦網，設計為小型電催化膜組件的陰極，為菱形網孔，內徑為14 mm，外徑為16 mm，長為90 mm，網孔邊長為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，其結構示意圖如圖1所示。外殼的底部設有密封圈1和密封圈2，密封圈1設于殼體與下蓋之間，密封圈2設于下蓋內部。殼體上部外側有螺紋。殼體和上蓋之間通過螺紋配合，和下蓋之間通過卡扣連接。

圖1 外殼結構示意圖

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

圖2 密封件結構示意圖

密封件的主要零件為壓蓋和固定座。壓蓋為柱形，設計有固定接口、陰極連線口和陽極連線口，可以密封陰極導線和陽極導線，其結構示意圖如圖3所示。固定座為柱形，包括固定接頭、陰極連線口、陽極連線口、電催化膜接口和金屬網接口，用來固定電催化膜和金屬網，密封陰極密封套和陽極密封套，其結構示意圖如圖4所示。

圖3 壓蓋結構示意圖

圖4 固定座結構示意圖

1.2.2 整體結構設計

依據電催化膜凈水技術與主要零部件的選型與設計，利用SolidWorks軟件對小型電催化膜組件進行整體結構設計[16-17]（如圖5所示），整體為管狀結構。小型電催化膜組件外殼上設計有進水口和出水口，內徑均為4 mm，進水口位于組件底部，出水口位于殼體上部側面。電催化膜設于殼體內部，與進水口同軸，金屬網同軸設于電催化膜外，電催化膜及金屬網的頂端均連接導線，便于與電源連接。小型電催化膜組件工作時，陽極導線和陰極導線分別連接外接直流電源的正極和負極，待凈化的水通過進水口進入該組件，在膜分離和電場作用下凈化后經出水口流出。

圖5 小型電催化膜組件結構示意圖

1.2.3 主要性能參數

小型電催化膜組件外形尺寸為23 mm×30 mm×150 mm（長×寬×高），其中殼體（不包含出水口）尺寸為?23×109 mm，進水口尺寸為?8×15 mm，出水口尺寸為?8×7 mm；質量為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仿真分析

2.1 流場仿真模型建立

小型電催化膜組件在電催化膜凈水過程中，將其簡化為理想狀態，即忽略水中固體顆粒及氣體的影響，水流不可壓縮，動力黏度不隨速度梯度的改變而變化，凈水過程視為穩態[18-20]。設水的溫度為25℃，運動黏性系數v=1.004×10-6m2/s，入口圓管內徑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Re計算公式如下：

式中，U為流速，單位為m/s；D為圓管內徑，單位為m；v為運動黏性系數，單位為m2/s。

經公式（1）計算得到Re為518，即Re<2 000，說明流場處于層流狀態。由于電催化膜為多孔介質，因此流場模型設為多孔介質自由流動。

采用N-S方程（Navier-Stokes equation）來描述小型電催化膜組件中流體運動的動量守恒，如公式（2）所示：

采用連續性方程來描述小型電催化膜組件中流體運動的質量守恒，如公式（3）所示：

聯立公式（2）和（3）即可求解小型電催化膜組件中流體流動的速度場和壓力場。

圖6為建立的小型電催化膜組件幾何模型。為簡化計算，對本組件建立實際體積一半的模型，采用對稱設置，并忽略一些對流場影響小的零部件，如金屬網。流場邊界條件設置入口面、出口面和對稱面，其余各面均設置成無滑移壁面，入口流體速度設為0.13 m/s。

圖6 小型電催化膜組件幾何模型

2.2 流場仿真分析結果

仿真分析所設定的電催化膜為微孔管式膜，孔隙率為30%，內徑為4 mm，外徑為10 mm，長為100 mm。采用COMSOL軟件中的計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）模塊對本組件進行流場仿真，分析其速度分布和壓力分布。采用物理場控制網格的方式劃分網格，結果如圖7所示。網格包括四面體單元8 004個、金字塔單元130個、棱柱單元3 491個、三角形單元3 220個、四邊形單元487個、邊單元720個以及頂點單元52個。

圖7 網格劃分結果

2.2.1 速度分布

圖8為本組件流場仿真速度切面圖。由圖8可知，流體入口速度為0.13 m/s，進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；通過多孔介質微孔管式膜進入組件腔體以后，受微孔管式膜的阻力影響，速度降為0.05 m/s；進入出口管道以后速度逐漸升高，流體流出時和流入時速度基本保持一致，約為0.13 m/s，說明本組件中的膜元件選配合理。

圖8 速度切面圖

圖9為本組件流場仿真速度場圖，能直觀地描述流場的空間分布。由圖9可知，水流從小型電催化膜組件進水口流入中心管道，隨后透過電催化膜進入腔體，從出水口流出。本組件內部水體流動整體較為平穩，但后端存在一些亂流，這是因為本組件后端需要外接電源，因此出水口沒有設于后端，最后端的水流無法直接流進出水口。

圖9 速度場圖

2.2.2 壓力分布

圖10為本組件流場仿真壓力切面圖。從圖中可以看出，水流流入進水口時壓力最大，約為8 kPa；隨著水流在進水管中流動，壓力逐漸減小，進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很小，其后基本保持平穩；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；流過膜壁進入腔體后，壓力范圍為1～2 kPa，出水口壓力約為1 kPa。因此，本組件在流體流動過程中，所受壓力較為平穩，組件的零部件與流體配合較好、布局合理、選型得當。

圖10 壓力切面圖

3 結語

本研究采用SolidWorks三維設計軟件，依據電催化膜凈水技術原理，設計了以電催化膜為陽極、金屬網為陰極的小型電催化膜組件。并采用COMSOL仿真軟件，通過模型構建和網格劃分，分析了小型電催化膜組件流場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計合理，可作為單兵電催化膜凈水器的重要功能元件，在水質凈化及軍隊飲水衛生方面具有重要的實用價值。但是本組件在結構設計上還存在不易拆卸的不足，后續研究中考慮增加金屬彈簧來連接電催化膜，進而實現電催化膜的易拆卸。