一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法与流程

本发明涉及数据仿真，具体涉及一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法。

背景技术：

1、超滤是一种以压力为驱动力的膜分离技术，广泛应用于水处理、食品加工和生物制药等领域的分离与浓缩工艺。在长期运行中，料液中的溶质因浓度极化效应而在膜表面积累，逐渐形成污垢层，导致膜通量衰减、跨膜压差升高，最终必须停机进行化学清洗或更换膜组件。揭示超滤系统结垢过程的动态演变规律，对于优化运行参数、制定清洗策略和延长膜寿命具有直接指导意义。计算机仿真建模作为一种将物理过滤过程数字化并在虚拟环境中推演的手段，能够以高计算效率获取膜面结垢的时空分布信息。

2、现有技术如公告号为：cn110929426b、cn121096418b与超滤系统结垢过程仿真的相关专利以及基于移动网格的超滤膜污染物截留过程的动态数值模拟的学术研究论文，可见，现有的超滤结垢仿真方法大多依赖经验性的阻力串联模型或简单的滤饼过滤方程。阻力串联模型将污垢层视作一层均匀增长的附加阻力，仅按时间积分通量衰减，不求解膜面流场和浓度场。基于滤饼过滤方程的方法虽然引入了局部渗透率与厚度的关联，但缺乏对流体剪切力分布和溶质浓度分布的耦合求解，通常直接采用平均剪切力或进料浓度批量计算全膜面的生长速率。这类方法对结垢层形态的空间差异和随时间变化的非单调行为缺乏分辨能力。

3、上述现有方案存在明显技术缺陷：首先，结垢动力学模型仅考虑浓度极化驱动的沉积过程，忽略了剪切力驱动的局部剥离效应，无法再现实际运行中膜面污垢层先增厚后因流道缩窄导致剪切力骤增而发生剥落的非单调演变；其次，时间推进多采用固定步长，若步长偏小则造成计算时间不可接受，若步长偏大又会在快速结垢阶段引入显著的离散误差甚至数值失稳；再次，污垢层增长过程中流道几何持续改变，现有模型未能将动态几何边界反馈至流场和浓度场的重新求解，割裂了结垢与流场变化之间的双向耦合，导致仿真偏离实际物理过程。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法，解决了背景技术中存在的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：本发明提供一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法，包括：s1：获取超滤系统的运行工况参数、超滤膜组件的几何结构参数以及待处理流体的物性参数，并基于运行工况参数、几何结构参数和物性参数构建表征超滤单元内流体流动和溶质输送的数值模型。

3、s2：对数值模型进行流场与溶质浓度场的耦合迭代求解，获得膜表面剪切力分布和膜表面溶质浓度分布。

4、s3：利用表征浓度极化驱动沉积和剪切力驱动剥离机理的结垢动力学模型，结合膜表面剪切力分布和膜表面溶质浓度分布，计算膜面各离散位置处的净结垢生长速率，形成结垢速率分布场，所述结垢动力学模型包括沉积速率项和剥离速率项。

5、s4：基于结垢速率分布场，确定与当前污垢层增长速率适配的动态时间步长，并根据动态时间步长更新膜面污垢层厚度分布，随后通过动网格方法调整数值模型的流体域几何边界，以适应更新后的污垢层厚度分布。

6、s5：将调整后的数值模型作为新的当前数值模型，返回执行耦合迭代求解的步骤，进行时间推进，直到累计仿真时间达到基于运行工况参数得出的过滤周期，获得污垢层厚度在不同时间下的空间分布序列，作为演变序列。

7、s6：对演变序列进行时空降维和特征提取，生成表征结垢过程动态演变的可视化特征图谱。

8、本发明的有益效果在于：

9、（1）本发明将污垢层视为动态演化的多孔介质域并嵌入流体求解过程，复现了沉积与剥离相互竞争的结垢物理本质，提高膜面污垢层的空间分布演化仿真结果与真实过滤过程的吻合度，弥补传统模型仅考虑单向沉积而忽略剥离机制的不足，为超滤系统提供准确的结垢行为数字化再现能力。

10、（2）本发明通过结垢速率分布场自动适配动态时间步长，并与流场特征时间尺度进行协同约束，能够在结垢剧烈变化阶段自行求解步长、在平稳阶段放宽步长限制，从而在保证计算稳定性和数值精度的同时缩短仿真耗时，提升了该方法的工程实用性。

11、（3）本发明对演变序列实施空间统计降维与时间导数分析，自动提取结垢加速开始时间、速率峰值时间和局部剥落发生时间等特征节点，并将结垢过程划分为萌生期、生长期、剥落期和再沉积期，输出叠加生长方向矢量和剥落区域的膜面厚度时空演变云图以及沿程时序曲线图，将仿真数据转化为可直观解读的过程图谱，支持操作人员快速诊断膜污染所处的阶段并追溯诱发局部剥落的水力学条件。

1.一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法，其特征在于，所述对数值模型进行流场与溶质浓度场的耦合迭代求解，获得膜表面剪切力分布和膜表面溶质浓度分布，包括：

3.根据权利要求1所述的一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法，其特征在于，所述利用表征浓度极化驱动沉积和剪切力驱动剥离机理的结垢动力学模型，结合膜表面剪切力分布和膜表面溶质浓度分布，计算膜面各离散位置处的净结垢生长速率，形成结垢速率分布场，包括：

4.根据权利要求1所述的一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法，其特征在于，所述基于结垢速率分布场，确定与当前污垢层增长速率适配的动态时间步长，包括：

5.根据权利要求1所述的一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法，其特征在于，所述过滤周期根据运行工况参数中的膜通量下降率达到预设阈值的时间确定，或者根据跨膜压差增长率达到预设阈值的时间确定。

6.根据权利要求1所述的一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法，其特征在于，在将调整后的数值模型作为新的当前数值模型，返回执行耦合迭代求解的步骤中，所述耦合迭代求解包括：

7.根据权利要求1所述的一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法，其特征在于，所述对演变序列进行时空降维和特征提取，生成表征结垢过程动态演变的可视化特征图谱，包括：

8.根据权利要求7所述的一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法，其特征在于，所述可视化特征图谱包含叠加了结垢生长方向矢量和局部剥落区域的膜面厚度时空演变云图，以及沿程污垢厚度分布时间序列对应的时序曲线图。

9.根据权利要求1所述的一种揭示超滤系统结垢过程和演变趋势的方法，其特征在于，所述通过动网格方法调整数值模型的流体域几何边界，以适应更新后的污垢层厚度分布，包括：