膜分离技术是水处理领域的前沿技术,具有分离效率高、无二次污染、选择性高、能耗低等特点。然而,在长期运行过程中,由于原料液中的胶体粒子及大分子物质等污染物经物理化学作用或机械作用在膜面及膜孔内产生吸附沉积,形成了膜面滤饼层与浓差极化现象,导致膜污染的发生。膜污染提高了膜的渗透阻力,引起膜通量的下降,导致膜分离技术在水处理领域的应用受限。因此,研究膜污染的机理以及认识膜污染的形成过程是有效解决膜污染问题的核心。此外,受膜组件尺寸及相关实验手段的制约,针对膜污染机理的深入研究大多只能定性或半定量进行。基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的数值模拟仿真可对组件内部的流动状态进行可视化模拟,且研究参数范围不受实验条件限制,有利于开展定量研究以及开展膜组件的优化设计。目前,膜污染数值模拟多集中在针对流场、浓度场、膜通量及剪切力等特定问题,考察不同运行条件下膜污染的变化情况,但尚缺乏将流动条件、污染物状态及膜通量综合考虑的膜污染机理研究。本文运用COMSOL Multiphysics 4.3有限元模拟软件对中空纤维超滤膜动态污染过程开展研究,考虑水流剪切力与污染物临界粘附力的影响,同时引入变形几何模块,实现了膜面污染物截留动态过程的数值仿真。首先,针对膜污染的动态变化问题,本文建立了中空纤维膜的二维轴对称模型,综合考虑了水流剪切力及污染物间粘附力的影响,提出有效剪切力的概念。其次,在模型中耦合了自由多孔介质流动、稀物质传递以及变形几何三种物理场,将污染物法向积累、切向有效剪切与污染物界面处的网格速度相关联,建立了膜面污染物截留的动态模型,提出并证实了有效剪切应力的理论在膜污染模型中的可行性。最后,根据死端过滤与错流过滤的实验数据,确定出模型的膜截留修正系数c1以及剪切修正系数c2。本文侧重于研究不同水力学条件对膜面污染物冲刷的影响,在所建立的污染物动态截留模型的基础上,研究了不同进给方式(连续流与脉冲流)所产生的水流剪切力对膜面污染物的影响。模拟结果表明,当c1=3.7m3/mol、c2=1×10-11m时,本文所建立的膜污染模型在渗透通量衰减以及膜面水流剪切速率分布方面与实际情况吻合良好;与连续流相比,脉冲流具有更高的有效剪切速率,在对膜面污染物的冲刷作用方面更具优势,可有效减轻膜污染程度,提高膜分离效率。