Application of projection methods to simulating mass transport in reverse osmosis systems
Application of projection methods to simulating mass transport in reverse osmosis systems
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投影方法在反渗透系统中质量传递模拟中的应用
DOI：
10.1016/j.compfluid.2021.105189
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发表时间：
2022
影响因子：
2.8
通讯作者：
Tilton, Nils
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Johnston, Jacob;Lou, Jincheng;Tilton, Nils
反渗透在海水淡化和高级水处理方面具有重要应用。然而，它的效率取决于不稳定的流体流动和溶质输送，这很难模拟。这些挑战是由于溶质边界层与复杂几何形状产生的不稳定涡流结构之间的相互作用而产生的。这些流动结构还与半透膜相互作用，通过半透膜的渗透流量取决于局部压力。我们表明，这种额外的压力耦合导致传统投影方法的时间精度下降到一阶。我们追踪这种精度下降的根源在于在用于更新速度和压力场的泊松方程的推导中对粘性项的处理。这使我们能够提出一种改进的投影方法来恢复二阶时间精度。最后，我们表明改进的投影方法可以与对流出口条件和浸没边界条件耦合，以模拟稳定和非稳定流态下的反渗透。
Reverse Osmosis has important applications to seawater desalination and advanced water treatment. Its efficiency depends, however, on unsteady fluid flow and solute transport that are challenging to simulate. The challenges arise due to interactions between solute boundary layers and unsteady vortical flow structures generated by complicated geometries. These flow structures also interact with semi-permeable membranes through which the permeate flow depends on the local pressure. We show that this additional pressure coupling causes the temporal accuracy of traditional projection methods to drop to first-order. We track the source of this accuracy drop to the treatment of viscous terms in the derivation of the Poisson equation used to update the velocity and pressure fields. This allows us to propose a modified projection method that recovers second-order temporal accuracy. Finally, we show that the modified projection method can be coupled to convective outlet conditions and immersed boundary conditions to simulate reverse osmosis in steady and unsteady flow regimes.
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