空气湿度过大或过小,都会对人们的生产和生活产生重要影响,因此需要调节湿度在一个合适的范围。近年来中空纤维膜组件已经开始广泛应用于室内湿度调节。中空纤维膜组件的结构类似于管壳式换热器,管程的液态除湿剂和壳程的空气通过中空纤维膜进行热湿交换。但与管壳式换热器不同的是,中空纤维膜材料可以为选择性渗透膜,截留液态除湿剂而仅允许水蒸汽透过。此外,中空纤维膜具有较之管壳式换热器更高的填充率,因此其具有更高的传热传质效率。已有的研究主要聚焦在中空纤维膜组件内管束与壳程流体呈平行流或错流的情形,对于组件内壳程流体与管束方向呈一夹角的情形则还未涉及。本文将研究中空纤维膜组件壳程流体倾斜冲刷管束的流动与对流传递现象。此外,当组件内纤维管束为随机排列时,采用耦合传热传质边界条件下,对纯逆流壳程流体流动和热质传递采用Voronoi模型进行了模拟。为揭示壳程流体与管排之间的传热或传质机理,建立了相应的数学模型进行模拟:(1)求解恒定温度边界条件下流体在管束间的倾斜流动和传热。以十个计算单元的顺排和叉排管束为研究对象,建立空气侧动量与质量守恒方程,膜表面采用恒定温度边界条件,通过数值求解获得充分发展段的努塞尔数与阻力因子等准则数,并通过空气加热实验验证模型。结果表明,随着壳程流体与管束的倾斜角升高,充分发展段的努塞尔数和阻力因子均增大。当中空纤维膜管束为叉排排列时,由于管束间的冲击与分离作用,流场内的扰动更强烈,叉排管束对流传热系数与阻力因子均大于顺排管束的值,这是因为在叉排排列下,流场内的扰动更强。(2)求解恒定热流密度边界条件下流体在管排间的倾斜流动和传热。以周期性的顺排和叉排管排为研究对象,建立壳程动量与质量守恒方程。在管壁面采用恒定热流密度边界条件,求解获得周期性单元内的努塞尔数与阻力因子等准则数。结果表明,随着壳程流体与管排之间夹角增大,周期性单元内的努塞尔数和阻力因子增加。当管径比减小时,由于主流对管排的冲击加强,周期性单元内的努塞尔数和阻力因子增加。恒热流边界条件下周期性单元内的努塞尔数高于恒定壁温边界条件下的结果,这是与传统观点相符合的。(3)求解膜表面为流固耦合边界条件时,组件内壳程流体的倾斜流动和传热传质。以周期性的顺排和叉排管排为研究对象,分别对壳程空气和管程除湿溶液建立质量、动量守恒方程及传热与传质方程,通过有限容积法离散输运方程获得两侧流体的流场、温度场和组分场,计算得到周期性单元内壳程流体的努塞尔数、舍伍德数。结果表明,流固耦合边界条件下,随着倾斜角升高,周期性单元内壳程流体的努塞尔数和舍伍德数均增加。对于顺排情形,耦合传热传质条件下的努塞尔数高于恒定壁温条件下的努塞尔数。对于叉排情形,耦合传热传质条件下的努塞尔数低于恒定壁温条件下的努塞尔数。(4)求解流固耦合边界条件下随机排列管束间的逆流流动和对流传热传质。选取5-7根随机排列的中空纤维管作为研究对象,采用Voronoi模型划分得到计算区域,计算区域的填充率等于组件填充率。分别建立空气侧与溶液侧动量与质量守恒方程,膜表面采用耦合传热传质边界条件,通过有限容积法离散求解,获得壳程充分发展段的努塞尔数、舍伍德数与阻力因子等准则数。结果表明,在流固耦合边界条件下,填充率大于0.30时自由表面模型的计算结果比Voronoi模型计算结果偏高10%;填充率高时需采用六边形单元计算。原因是填充率较高时,管与管之间的相互作用对结果的影响不可忽略,而六边形单元考虑到更多管之间的相互作用。