[size=1em]反渗透膜能够选择性地透过水而截留离子物质，反渗透技术则是在盐水侧施加压力，使盐水中的水流向纯水侧，从而实现溶液盐水分离。与其他膜分离技术相比，反渗透膜结构更加紧密，内部孔道结构更小，相应地在实际运行过程中需要更高的操作压力。因其对水体中各种无机离子和有机物具有良好的截留效果，反渗透技术已被广泛应用于海水和苦咸水淡化、污水处理厂深度处理、特定废水(如印染废水、化工废水等)处理等领域。反渗透膜组件一般可分为板框式、管式、中空纤维式和卷式等。而卷式膜组件因其结构简单、装填密度大和成本低等特点成为广泛应用的组件形式。
[size=1em]传统试验对反渗透膜的性能检测往往关注总压降、膜通量、脱盐率和膜污染，对反渗透膜内流动流态等无法提供具体描述。而此前研究已逐步采用粒子图像测速(particle image velocimetry，PIV)技术来观察膜通道内流体的流动，并尝试阐明不同参数对膜性能影响的机制。PIV作为一种非侵入式的流动测量和直观可视化技术，可以给出研究区域的瞬时速度分布，进一步用于确定流动状态，识别低速区、高速区和死区等。但PIV技术也存在一定限制：对边界层的研究不能提供足够的分辨率；追踪的粒子密度需要近似等于流体密度，否则会因为浮力影响不能准确预测流体行为；需要高分辨率相机等硬件配合。而利用CFD结合CAD技术可以获得几何形状复杂的试验对象内部流体流动的详细数据，并能降低试验和设计的成本。
[size=1em]CFD是随着现代计算机技术发展起来的数值模拟工具，可以实现对多种流体的流动、传质和传热等相关物理过程的数值模拟分析，作为理论或试验的验证或补充。通过CFD对过滤膜系统研究可以定性流动特征，如边界层的发展和分离、涡旋的形成以及高剪切区和再循环区的存在等；且可以定量计算统计特性，得到压降、流动云图和壁面剪切力等。本文综述了卷式反渗透膜组件中CFD模拟隔网优化和膜污染的研究，并介绍了几种其他形式膜组件中CFD应用进展。
[size=1em]反渗透膜组件中应用最广泛的卷式膜结构是由中间为多孔支撑材料、两边为膜的结构装配组成的，将膜-产水侧隔网-膜-原水侧隔网依次叠合，绕中心集水管紧密卷绕在一起形成一个膜元件。进水会沿与中心管平行的方向在隔网中流动，浓缩液由另一端引出，而渗透液汇集到中央集水管中再引出。进水侧隔网有助于促进流体混合、提高渗透通量，从而增强传质效果并减轻浓差极化作用，但与此同时也会带来压力损失增大的问题。目前，针对进水侧隔网的CFD模拟优化主要集中在以下3个方面：(1)隔网结构；(2)隔网纤维布置；(3)隔网纤维几何参数。
[size=1em]隔网在进水流道中起到了重要作用，一些研究通过改变其固有设计来改变流道内的湍流和污染等特性。主要改进方向为强化隔网扰动流动作用来增强传质效果和减小隔网产生的压力损失来减少能量损耗。
[size=1em]在强化扰动流动作用方面，Schwinge等提出了三层隔网结构，通过试验对比，在相同水力直径下，三层隔网与传统双层隔网相比增加了14%的通量，但同时也增加了14%的压力损失。后续Fimbres-Weihs等和Rodríguez等对三层隔网结构的CFD研究表明，三层隔网会产生复杂的流动结构，导致更高的平均传质系数，降低了膜组件浓差极化现象和污染趋势。Liang等结合多尺度技术经济模型对多层隔网的经济性能进行了评估。发现在进水流道中多层隔网导致的更大压力损失对反渗透过程总处理成本影响不大，其总处理成本与传统双层结构相比低2%～4%。因而对新型隔网的设计应该优先关注对通量的增强效果。
[size=1em]另一方面，隔网能通过减小浓差极化效应来增强传质，但同时也会增加压力损失损害膜性能。且研究发现填充隔网流道的压力损失远远高于无隔网流道的压力损失。Siddiqui等对隔网流道的孔隙率的定量方法及孔隙度对水力特性造成的影响进行了研究，发现孔隙率与流速呈线性关系，对压力损失则有超线性影响。所以改变流道内孔隙率可以显著改善高压力损失带来的问题。已有研究通过设计穿孔隔网改变了流道孔隙率。Kerdi等采用3D打印技术得到具有不同数量和位置穿孔的隔网，结合直接数值模拟方法对穿孔隔网的流体力学特性进行了量化。研究发现在进水流量相同时，与传统隔网相比，穿孔隔网能增强约23%的渗透通量，并很好的抑制了污垢的积累，另外在相同操作压力下得到了相似的结果。解释其原理在于纤维内部产生的微射流增大了湍流程度，减缓了污垢积累。Toh等通过隔网穿孔位置、穿孔尺寸和穿孔数量等对传质和压力损失的影响进行了CFD模拟，但发现穿孔隔网并不能改善传质，穿孔尺寸的增大会降低传质效果并减小压降，更多的穿孔数量会带来更低的压力损失但对传质效果无明显影响。Kerdi等和Toh等采用的隔网几何结构不同，所以不能直接相互验证，但都观察到了穿孔减小压力损失的效果。后续对穿孔隔网的研究可以探究其他几何形状的隔网穿孔所得到的微射流对传质效果产生的影响并与以上研究对比验证。
[size=1em]隔网纤维的存在对流道内速度分布和浓度分布会产生明显的影响。隔网纤维在进水流道内的排布方式主要分为空腔式(同边排列)、浸没式(中心排列)和锯齿式(交错排列)(图1)。已有研究对3种纤维排布方式进行了CFD模拟，研究发现隔网有助于增大流动扰动减轻浓差极化现象，但同时也会增加流道内压力损失，浸没式隔网与其他形式相比更适用于实际生产过程。Subramani等研究发现，锯齿式隔网流道中局部区域的浓差极化指数远高于空流道，可能会导致更严重的膜污染，而王涛等在对壁面剪切应力的分析中，认为空腔式会使得上下膜面性能不均衡，从而降低整体的分离效果，通过自行设计的膜组件验证了在雷诺数大于200的情况下结果准确。
[attach]5450[/attach][size=1em]此外，隔网纤维编织形式也可对流道产生影响，如图2所示，隔网编织形式主要分为非交织式、部分交织形式、中间层形式和完全交织形式。研究通过对水和溶质通量、浓差极化指数和压降的对比，发现完全交织形式的隔网有着更高的水通量和更低的浓差极化，但带来的压力损失略高于非交织式的隔网，因而隔网纤维编织方式的选择可以根据实际应用时的流量大小来选择。另外纤维之间啮合角和水流攻角也会对膜性能产生影响。
[size=1em]隔网的几何参数如横截面形状、直径、啮合角和流动攻角等对膜表面的浓差极化、浓度分布、壁面剪切速率等影响显著。
[size=1em]Ahmad等使用Fluent软件建立了二维稳态模型，选用了湍流方程并引入了膜的渗透特性，评估了横截面形状为三角形、方形和圆形的隔网纤维对浓差极化和压降的影响。不同横截面形状的隔网纤维对降低浓差极化指数的趋势相同，而三角形横截面纤维产生的浓差极化指数最低；但三角形和方形的尖端会产生较高的局部速度场增大压力损失。所以在高流量过滤系统中，选择圆形横截面隔网纤维能使耗能最小化；而在低流量过滤系统中，选择三角形横截面隔网纤维能提供更好的减少浓差极化效果。Kerdi等提出了具有微螺旋结构的隔网，在采用直接数值模拟的同时，通过试验研究了微螺旋结构的隔网所产生的效果，发现螺旋隔网与传统隔网相比能增加2倍以上的比渗透通量，且光学相干断层扫描结果显示其所形成的生物污染量更少。
[size=1em]隔网纤维直径也会对膜性能造成影响。流体在经过隔网纤维后流速较低，并能观察到朝向膜表面的较高速度，而此类高速区也对应着膜表面的高传质区。随着纤维直径的减小，高速区所占比例也会减少，致使高传质面积减小，总传质系数减小。但随着纤维直径的增加，流道内总阻力也会增加，导致压降也随之增加，在能耗增加的同时也会使上下两壁面局部剪切速率分布不均匀，使得膜的传质特性受到影响。所以对一个特定的进水流道，可以通过模拟方法确定最优的纤维直径值，得到较低的能耗和更好的传质效果。
[size=1em]此外，隔网纤维间夹角(啮合角)和流道内对隔网纤维的流动攻角也会对膜性能产生影响，但因为不同研究中对流动攻角的定义不同，无法统一进行讨论。根据Gu等的研究，介绍CFD模拟中流动攻角和纤维间夹角产生的影响，关键角如图3所示。Gu等研究发现，当纤维间夹角减小时，速度场和浓度场分布情况相似，但角度越小，尖锐边缘附近的高浓度区域越大，浓差极化效果增强；且低水通量区域更不规则、尺寸更大，膜的水通量随之减小。而轴向纤维的排列角度(θa)比横向纤维的排列角度(θt)对压降的影响更大。
胶体是指特征尺寸在1～1 000 nm的细颗粒，在压力驱动膜系统中，胶体很容易在膜上沉积形成滤饼层，而由于滤饼层产生水力阻力和/或滤饼层增强渗透压(cake-enhanced osmotic pressure，CEOP)效应，会对膜通量产生显著不利影响。Uppu等和Su等分别提出了不同的滤饼层生长模型，能够描述出滤饼层增长行为和滤饼层对水力阻力、浓差极化的增强效果，且定量分析了滤饼层水力阻力和滤饼层强化浓差极化对降低渗透通量的作用。
反渗透膜污染会对膜性能产生严重影响，从膜污染中恢复膜性能的清洗方法对有效和可持续的反渗透膜操作至关重要，清洗操作可以减轻不可逆污染以保持膜寿命和性能，从而降低购置和维护成本。在不使用化学清洗剂的情况下，高速横流清洗和反冲洗是较为常用的清洗技术。Radu等在模拟生物膜形成时，考察了不同的横流水力清洗策略对生物膜形成产生的影响，发现高流速的清洗能使生物量分离增加，但最佳操作条件是需要对不同清洗策略的成本进行详细分析。渗透反冲洗(osmotic backwash，OBW)技术在去除污染物和恢复膜通量上潜力巨大，且在运行中的中试系统验证了OBW技术能以强大驱动力将污染物从膜表面带离到盐水中。Jeong等建立了二维隔网通道内的OBW模型，研究了膜固有特性和流体动力学对存在生物污染的隔网流道内反冲洗的效率。更高横流速度、浸没式隔网结构和外浓差极化有助于反冲洗时的生物膜去除效率，而反渗透膜结构中多孔支撑层对反冲洗过程影响更大。
上文主要是关于卷式膜组件内隔网流道的模拟，下面介绍一些CFD模拟应用于其他形式反渗透中的研究。
动态过滤系统通过运动的部件来产生更大剪切力，减弱浓差极化现象和滤饼层生成，从而增大渗透通量的膜系统。Armando等在1992年提出了振动剪切增强处理(vibratory shear enhanced filtration process，VESP)方法。Su等对全长的振动膜流道建立了二维模型，提供了高精度的、随时间变化的膜表面渗透通量分布，NaCl和CaSO4的浓差极化曲线以及通道内流动传质模式。预测结果表明振动幅度不变时，振动频率越高，渗透通量越高，膜表面离子浓度和无机污染越少，且与实际试验结果相符。旋转圆盘过滤器是动态过滤的另一种形式，它和振动剪切原理相似，都是通过加强膜面剪切来增强传质效果。Uppu等模拟了定转子腔内的流体流动和溶质运移，定量评价了胶体滤饼层污染和结垢污染导致的渗透通量下降。并讨论了旋转动态反渗透膜与传统横流反渗透过滤相比，在降低污垢引起的渗透通量下降率方面的优势，即旋转导致了更优的混合效果和更大的剪切速率。
除了动态过滤系统，添加外部电场诱导的电渗流(electro-osmotic flow，EOF)也能通过引起膜附近流体的运动来改善混合效果、提高传质效率。Liang等通过设置膜表面滑移速度边界条件来代表电渗流产生的影响，分别建立了无填充、填充二维膜通道内定常和非定常电渗流扰动对壁面剪切和传质影响的模型。结果表明，隔网填充流道内EOF对传质的强化作用大于无填充流道，非定常电渗流比定常电渗流增强渗透通量的效果更好。
而目前主要用于垃圾渗滤液处理的碟管式反渗透(disc tube reverse osmosis，DTRO)，因其结构形式特殊，目前对其中计算流体力学的研究主要集中在对导流盘形式的研究，主要致力于优化导流盘结构，增强其中的流速和湍流程度，增大膜片表面剪切应力，从而提高膜组件抗污染性能。
与试验研究相比，使用CFD技术模拟能以较低成本描述出卷式反渗透膜组件中流体流态分布情况，分析溶质迁移规律，从而指导设计和应用。通过CFD模拟来对理论和试验进行验证或补充，将是未来研究的趋势。
隔网是反渗透膜组件中的重要组成部分。本文概述了不同隔网优化方式的CFD模拟研究，总结了不同隔网参数对膜性能的具体影响。提出对反渗透膜组件内隔网的优化仍然会是一个重要的研究方向，且计算能力的提高为采用更精细化的网格离散提供了条件，有利于研究具有更复杂几何特征的隔网。
膜污染始终是膜过滤过程中不可避免的问题。通过研究不同因素对膜污染的控制与消除作用，发现进水速度、进水基质浓度和清洗操作等都会对膜污染的形成和膜性能的恢复产生影响。对膜污染的模拟研究能提高预测能力，进一步了解实际条件下影响膜性能的复杂机制和过程。
此外，单一指标并不能全面地描述膜总体性能，因此，需要提出综合的膜组件性能评价标准，将三维数学模型与技术经济分析相耦合，有助于确定提高工艺性能和成本效益的最佳选择。
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