《Journal of Water Process Engineering》：Numerical investigation of shear stress-enhanced anti-fouling mechanisms in patterned alumina ceramic membranes
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表面图案设计对旋转磁盘陶瓷膜抗污性能的影响研究，采用CFD模拟分析线型、环形及混合型图案在不同转速（249-621rpm）下的流体动力学特性。结果显示混合线环模式（LRPM）在提升高剪切区域（占比8.49%）的同时减少低流速区（6.52%），且高速运行时表面流速平均提升13.59%，为优化陶瓷膜抗污设计提供了理论支撑。
卢宏桥|周新义|谢家伟|秦航|郭文明|高鹏兆|肖汉宁|刘景雄
湖南大学材料科学与工程学院，长沙，410082，中国
摘要
表面图案化是一种极具前景的物理改性策略，通过优化近表面流体力学来减轻旋转圆盘陶瓷膜的污染。在本研究中，采用计算流体动力学（CFD）系统地研究了毫米级表面图案（包括线性图案、环形图案和一种新型的线-环混合图案）对氧化铝陶瓷膜上流体速度和壁面剪切应力分布的影响，旋转速度范围为249至621转/分钟。设计的图案特征高度为0.9毫米，旨在诱导高强度的冲刷流。仿真结果显示，虽然条纹图案显著增强了局部速度峰值，但它们倾向于在相邻特征之间形成连续的低速区域。相比之下，环形图案（CAPM）提供了更好的流速均匀性，但在峰值剪切应力方面的改进有限。线-环混合图案（LRPM）作为最佳设计，成功平衡了强烈的局部冲刷和整体流速均匀性：它实现了8.49%的膜表面处于高剪切区域（>5帕），同时将低速区域减少到仅6.52%，有效优化了冲刷强度和空间覆盖率的权衡。此外，在更高的旋转速度下，表面图案化的性能优势更加明显，在621转/分钟时平均表面速度增加了13.59%。这些发现为下一代陶瓷膜提供了一种稳健的设计策略，同时提高了抗污染性能和结构功能性，具有显著的工业应用潜力。
引言
圆盘陶瓷膜通过自身的旋转实现过滤。这种独特的操作模式不仅在膜表面产生高剪切率，还能分别控制膜表面的流速和跨膜压力（TMP），从而减少膜污染和能耗[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，在实际应用中，膜污染仍然是圆盘陶瓷膜应用的主要挑战。特别是在处理复杂水质时，污染物容易附着在膜表面，导致膜过滤性能显著下降、渗透率降低、操作压力增加，甚至可能造成膜损坏或失效，从而影响整个膜分离系统的效率和稳定性[6]、[7]。因此，研究如何减轻膜污染并提高膜稳定性和性能已成为膜技术领域亟待解决的问题。
近年来，研究人员提出了许多方法来增强膜的抗污染能力，包括表面改性[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、进料溶液预处理[13]、[14]、操作参数优化[15]、[16]以及膜清洗[17]、[18]、[19]。其中，膜表面图案化是一种物理改性技术，通过在膜表面引入图案来调整流体流动特性。最近的膜制造技术进步使得在聚合物和陶瓷膜上创建表面图案成为可能。Lyu等人[20]通过计算流体动力学（CFD）仿真和交叉流过滤实验验证，证明了垂直于进料流动方向的3D打印线图案显著提高了通量和抗污染性能。类似地，Chevarin等人[21]使用立体光刻技术在管状陶瓷膜的内表面制造了环形图案，优化了介观尺度形态以改善流体力学控制。Ng等人[22]研究了用于活性污泥过滤的表面图案化陶瓷膜，并揭示了污染物颗粒大小与图案几何形状之间的相互作用。在纳米尺度上，Choi等人[23]使用CFD分析了柱状图案表面的流动特性和应力分布。Chauhan等人[24]使用一种受鲨鱼皮启发的新型倾斜图案制造了仿生抗污染膜。Mitraneescu等人[25]和Ibrahim等人[26]的最新综述综合了现有知识，强调增强的剪切应力是表面图案化膜抗污染的关键机制。
然而，仍存在一个关键的知识空白：现有研究主要集中在交叉流和平片膜系统上，而对旋转圆盘配置中的图案化陶瓷膜关注较少。旋转圆盘陶瓷膜的工作条件与传统交叉流系统有根本不同——其特征是径向速度逐渐增加、存在离心效应，并且能够独立控制表面剪切率和跨膜压力[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。这些独特特性需要专门针对旋转圆盘几何形状进行图案设计原理的研究。
此外，虽然线图案和环形图案已经分别进行了研究，但在同一系统内系统比较这两种图案类型及其混合组合的研究尚缺乏。这对于以径向流为主的旋转圆盘陶瓷膜系统尤为重要：与流动方向垂直的线图案可能与径向流动的环形图案提供不同的流体力学效益，它们的协同集成尚未被探索。此外，大多数现有的CFD研究仅关注单一操作条件，缺乏对不同旋转速度下图案性能的全面评估——这是实际工程应用的关键因素。
为了解决这些空白，本研究首次系统地数值研究了动态过滤条件下表面图案化的氧化铝圆盘陶瓷膜。具体来说，我们：（1）在同一旋转圆盘系统中比较了线图案（SLPM、SSLPM）、环形图案（CAPM-1/2/3）和一种创新的线-环混合图案（LRPM）；（2）基于高/低速区域和剪切应力区域的面积百分比建立了定量评估框架，超越了传统的平均值和等高线图分析；（3）评估了多种旋转速度（249–621转/分钟）下的图案性能，以评估其在不同操作条件下的行为；（4）阐明了不同图案类型在旋转圆盘配置中增强抗污染性能的独特流体力学机制。这些发现为合理设计图案化旋转圆盘陶瓷膜以减轻实际水处理应用中的污染提供了理论指导。
部分摘录
物理模型
圆盘陶瓷膜分离过滤器的结构模型如图1(a)所示。数值模拟针对使用光滑膜（SM）和各种表面图案化膜的过滤器进行。过滤系统的半径为75毫米，高度为130毫米，进出口的半径均为3.5毫米。所使用的圆盘陶瓷膜外半径为47毫米，厚度为6毫米，中心有一个半径为20.5毫米的圆形孔
膜表面的速度分布
图3显示了在249转/分钟旋转速度下纯水过滤过程中膜表面的速度分布特征。数值模拟得到的速度等高线图显示了膜表面不同区域的流速变化，高速区域用红色表示，低速区域用蓝色表示。总体而言，膜表面的流速随半径增加而增加，这一趋势在无图案和有图案的膜上都有观察到
结论
本研究采用CFD仿真研究了表面图案化对旋转速度为249至621转/分钟的圆盘型氧化铝陶瓷膜流体力学性能的影响。结果表明，工程化的物理微结构显著增强了膜表面的流体速度和壁面剪切应力，从而提高了抗污染潜力。具体来说，条纹图案（SLPM/SSLPM）实现了最高的局部速度增强，但
CRediT作者贡献声明
卢宏桥：撰写——原始草稿，数据整理。周新义：撰写——原始草稿，数据整理。谢家伟：软件开发。秦航：研究调查，资金获取，概念构思。郭文明：可视化，方法论。高鹏兆：监督，资源提供。肖汉宁：项目管理，资金获取。刘景雄：监督，正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52202060和52472071）、贵州省科技计划项目[2025]020、国家电网安徽电力有限公司的科技项目资助（项目编号52120524000N）、湖南省自然科学基金（项目编号2025JJ70083）以及长沙市自然科学基金（项目编号kq2502268）和国家-地方联合工程实验室开放基金的支持
