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水力自驱动模型的基础研究
1.相关课题背景
1.1能量回收装置的意义：
海水或苦咸水反渗透淡化过程通常是在压力的作用下进行的。以盐浓度为3.5%的海水为例，其系统操作压力6.0MPa ，而从膜组件中排出的浓盐水的压力5.5MPa。按40%的产水回收率计算，约有55% 的系统输入能量包含在浓盐水当中。因此，利用能量回收装置高效回收浓盐水的余压能对降低淡化能耗具有重大意义。
1.2 能量回收装置的分类：
水利透平式
转子式
离心式能量回收装置通常需要经过“压力能一轴功一压力能”的多步转化过程，能量回收效率最高约为80%。
等压式能量回收装置由于采用高压盐水直接增压原料海水的压力交换方式，能量回收效率高达91%---96%
1.3课题现状（以px类型的ERD作为研究主要方向）
1.3.1 国外现状：（PX能量回收装置）
第一代1989，不锈钢、电机带动、但因卡滞未实现商业化
第二代 20世纪90年代中期，氧化铝陶瓷材料
第三代 水力自驱动，4英寸，可并联操作运行，可达到SWRO配套的处理能力。以PX-60(约14m3/h)和PX-120（约27m3/h)为代表
第四代在泄漏量、混合及回收效率方面都有改进，转子直径达到6.5英寸。以PX-220（约50m3/h)为代表。
第五代2009年，侧向高压进出，12英寸，转子分成四个密封区，以PX-300（约68m3/h)为代表
Titan 1200能量回收装置:正处于实验研究阶段， 272m3/h，16英寸
1.3.2国内现状
总体情况：还没有商业化的产品，均处于实验研究阶段，与国外的研究进展差距较大。且国内的反渗透海水淡化厂用的能量回收装置均是进口的。
国内对能量回收装置的研究起步较晚，进行反渗透用能量回收装置研究的主要有中科院广州能源所、天津大学、杭州水处理中心和天津海水淡化研究所等5家单位
（1）大连理工大学：近几年发的文章比较多，主要还是进行理论分析和部分实验验证，报道称其装置已可实验水力自驱动。（据相关内容显示，大连理工大学实现的是侧向水利驱动，并非端面的水利驱动，不过相关的水利驱动的文章没有报道）
（2）杭州水处理中心：近年来也有研究转子式能量回收的报道，2009年申请了一篇专利。
（3）天津海水淡化所
（4）中科院广州能源所
*（5）实验室现状
实验室的转子模型在各级师兄师姐共同努力有了很大地进步，特别是在杨勇君师兄的奋战下转子的模型的非定常场的模拟以及相关的泄露问题模拟都取得了阶段性的胜利。
该转子模型在转动过程中的盐度，压力，速度场的分析，通过fluent的滑移网格和组分输运模型来获得的。目前的工作作了在外力驱动下，速度，转速，压力，间隙等因素对于混合效率以及能量回收效率方面的研究。
为了下一步的实现水利自驱动提供了很多宝贵的引导作用。
2. 本课题研究的意义
2.1.对于目前国内外做转子的方面的还没有给出比较有效的自驱动的软件模拟的报道，而国外的科研已经出现了相关的水利驱动的实物，国内的实物尚没有出现，因此国外ide厂家可以垄断的方式来获得暴利（大连理工大学出现的自驱动是侧向冲击），该技术的垄断一直是制约国内技术发展的评价，打破这一技术垄断显得尤为重要。
2.2.我们实验和设计的需要，为了进一步去了解自驱动模型的基础原理为下一步我们实验做主准备，很有必要去研究这个课题。
2.3.对于相关的行业（水利发电，泵叶开发等行业以及固液耦合相关领域的发展）的交流和相互学习。目前文献的查找目前出现的报道基本是一些转子部分给定转动速度的模拟，（这个我们已经可以达到）另外一些多是局部液体流动对于局部固体的受力从而达到优化局部结构的目的。也就是说相关行业依然没有很有效处理这一问题。
所以说自驱动模型的研究是有必要的，也是很迫切的。
3.本课题现状
我的课题是通过水利冲击作用使得转子自动旋转起来，然后通过浓盐水和原料海水在转子孔道的接触形成液体活塞，而在转子的旋转过程中，控制浓盐水和原料海水有规律的进出ERD来驱动液体活塞进行往复运动，最终有效地将浓盐水的高压传递给原料海水，从而完成能量回收的目的。
本课题的关键在于水流冲击，转子转动的模型的建立。
对于处理这个关键性问题,通过和一些有经验的同学老师交流，得出以下几种思路，希望各位能给出一些宝贵意见
方案以及原理
3.1Fluent法案：用非定常场下，在一个很短的时间间隔dt,假设转子静止情况下，对于流体场的压力分布进行求解，并通过udf的程序的获得刚体（固体结构）上的压强分布，然后对这些压强对应的压力作关于转子中心轴向（这里取z轴）的力矩和。再根据转动惯量定理等刚体运动学原理从而得到角速度对时间的微分方程，使用数值计算的方法得到该时刻下的刚体（转子）角速度。
有限元法的思想说明：
公式说明：
假定z轴为转动轴(转子的中心轴线所在位置)
力矩公式
转动惯量定理
转动惯量
假定z轴为转动轴(转子的中心轴线所在位置)
参数说明：
J-转动惯量
m-质量
有限元到转轴的距离
公式1--fluent得到流场中的固体的压力分布，然后用编写函数的方法，根据每个有限元中 压强*面积*到z轴（转轴）的距离从而得到转动惯量
公式2--转动惯量力矩=转动惯量*角速度对时间的导数
然后将转子的旋转速度作为转子速度加入到初始的fluent中的转子作为rotor wall 的速度为w，从而相互传递的去获得自驱动的流场分布。
存在问题：
Udf函数的编写
具体的是力矩和的求取（怎么获得相关的f*A的方向性）
3.2Workbench法案
3.3两种思路的共同点
总之对于本课题的研究的落脚点在于液固耦合的模型建立以及固体运动学的相关知识的研究，也是课题的难点。
3.3.1液固耦合
课题的主要思路就是流场和刚体交互作用，相互作为求解器的初始条件进行求解，从而达到要求的目的。
3.3.2刚体运动学的运用
如何在软件中合适地设定刚体的自由度，得到可以信赖的结果。
4模型的确立
4.1 Fluent方案和workbench方案比较
4.1.1.ansys软件的workbench的液固耦合方面的开发
因为ansys是现有的软件中处理固体受力以及运动很给力的软件，近期ansys公司又将fluent收购，在处理流体方面的能力耦合相互作用方面的研究，workbench的就是最近推出的，擅长处理多物理场耦合方面的研究，并且对于新手来说容易上手。因此最近本人倾向于使用该插件去处理水利自驱动问题。
4.1.2.ansys系列软件的参数驱动特性
对于ansys软件本身有自己编写程序的作用，十分便于对于相似结构模型，工况模型的情况下单因素的对比的完成，只需要简单的修改程序编码。
Workbench 中的参数优化模块，只需要对于相似结构模型，工况模型进行参数优化就可以得到单因素影响下的目标函数与控制变量的变化规律。
4.1.3. ansys 软件已经耦合了fluent的功能
对于ansys来说刚体受力以及刚体运动来说做的很出色，最近又耦合fluent模块，所以对于处理液固耦合很是有效，而fluent只是很好的流体处理软件，处理刚体问题时候不是很专业。
4.1.4.fluent固液数据传递时较ansys workbench很是复杂
难度在于fluent的udf编写，而workbench的数据传递容易上手。
基于以上的各种原因现在选择workbench软件来处理转子水利自驱动的液固耦合问题。
5.后期工作的计划
2011.10—2011.12：水利自驱动转子模型建立
2011.12—2012.02：水力自驱动的模型的完善以及改进
2012.02—2012.04：优化设计
2012.04—2012.06：实验验证
6.目前存在问题
6.0 方法的正确性以及将来结果和实际的吻合性
6.1本课题的难点是
6.1.1. 如何从流场的分析中的得到的结果整合后加载到刚体上
6.1.2.刚体在受到流场的作用力下如何进行转动
6.2需要考虑的一些方面
6.2.1摩擦力-对液固耦合模型过程中，而固体旋转收到的阻力主要来自与液体的粘性力，而液体的流动过程中的阻力主要是固体表面的摩擦。
6.2.2重力-用于固体在设定参数时候有密度，体积等参数所以传递过程中软件自动考虑固体的重力。
6.2.3泄露问题-
6.2.4 转子旋转模拟过程中如何能进行合理的旋转，使得尽量少地出现刚体和筒体之间的产生硬性摩擦。
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