膜污染限制了中空纤维膜在水处理中的大规模应用,膜面水力剪切和膜纤维的摆动被认为是有效减轻中空纤维膜组件污染的方法。本文通过计算流体力学(CFD)模拟及实验的双重手段研究膜摆动过程中膜面剪切力的变化情况,以及水力剪切对膜污染层去除的影响,进而获得膜组件的最佳设计参数。首先,本文利用CFD模拟了外部水力冲击条件对膜纤维位移量和膜面剪切力的变化影响。假设污染颗粒在膜面形成了极薄的污染层,随之摆动过程中,膜纤维位移量变化会强化膜面剪切力的峰值,有助于膜污染的控制。CFD模拟结果表明:在本研究的组件结构中,膜纤维两端的剪切力大于膜纤维中部的剪切力,原因在于膜纤维两端的轴向位移量远小于横向位移量。同时,研究表明,等效弹性拉力与膜面剪切力具有1:10的比例关系。其次,本文通过流固耦合模拟(FSI)对摆动过程中膜反应器内部的液固两相流进行了数值模拟,研究选取0.5m/s,0.8m/s,1.0m/s,1.2m/s,1.5m/s,1.8m/s,2.0m/s,分析了不同入口速度对于膜纤维摆动和位移量所产生的影响,并且对比了反应器内膜纤维表面的剪切力。结果表明,增加进口速度会增加膜纤维的摆动频率,从而增加膜面剪切力峰值,但是剪切力在膜纤维表面分布更加不均匀,所以并非进口速度越大平均剪切力越大。通过分析最佳进口速度下反应器内的速度以及其他矢量等流体力学性质,得出膜纤维的中下端具有较高的剪切力,并且可以有效抑制膜面滤饼层的形成。而膜纤维在摆动过程中会减轻膜纤维表面的污染物的累积。最后,本文通过流固耦合(FSI)小试装置的摆动和抗污染实验,对CFD模拟结果进行了验证。通过引入布拉格光栅(FBG)光学传感装置对实验组件结构的膜面剪切力进行了监测。实验对比不同进口速度的膜纤维抗污染效果,研究了被污染的中空纤维膜摆动抗污染的综合能力。膜纤维冗余度的存在会增加膜纤维的摆动位移量,在一定程度上提高膜组件的抗污能力,减少清洗的能耗,并实现过滤效率的提升。实验结果表明,膜纤维摆动能有效减轻膜纤维表面滤饼层的累积,实现膜性能的恢复,并且实验结论与模拟研究中摆动增加膜面剪切力减轻膜污染的结论相吻合。