《Desalination》：Geometry-dominated perturbation: Boundary layer instability by square-netting spacers in nanofiltration
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•垫片通过形成非均质边界层来改变整体流场。•纤维丝附近局部流场特征呈现不稳定性，而网眼方形区域则存在停滞现象。•垫片引起的逆向压力梯度导致局部边界层转捩。•停滞区域内加厚的边界层形成污染热点区域。•未来的垫片设计应破坏停滞区域以实现不稳定性全域化。引言高压膜过滤（HPMF），
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垫片通过形成非均质边界层来改变整体流场。
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纤维丝附近局部流场特征呈现不稳定性，而网眼方形区域则存在停滞现象。
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垫片引起的逆向压力梯度导致局部边界层转捩。
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停滞区域内加厚的边界层形成污染热点区域。
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未来的垫片设计应破坏停滞区域以实现不稳定性全域化。
引言
高压膜过滤（HPMF），特别是纳滤（NF）和反渗透（RO），被广泛应用于海水淡化、高级饮用水处理以及市政和工业废水回用领域[1]。卷式膜（SWM）模块因其具有高膜面积与体积比而在HPMF中得到大量应用[2]。尽管过去十年在科学和技术方面取得了显著进展，但膜污染仍然是SWM模块实际应用中的主要障碍，对能耗、出水水质和整体工艺效率产生不利影响[3]。浓差极化（CP）被广泛认为是膜污染的前提条件，而膜污染反过来又通过影响界面传质加剧了浓差极化。因此，浓差极化与膜污染形成了一个恶性循环，相互加速过滤性能的下降[4]。因此，有效的浓差极化控制对于延缓不可逆膜污染的发展至关重要[5]。在SWM模块中，这一目标已通过使用进料垫片部分实现。进料垫片不仅在物理上分隔膜叶并创造流动通道，还起到湍流促进器的作用。由此产生的层流膜边界层扰动增强了界面传质并降低了浓差极化[6]、[7]。
市售进料垫片通常采用双层纤维交叉形成的菱形或方形网状结构[8]。这种传统设计倾向于在交叉纤维交汇处以及垫片与膜接触点产生水力停滞区域[9]、[10]。在这些停滞区域中，溶质返输受到限制，有利于污染物在膜表面沉积。因此，优化进料垫片设计被认为是缓解浓差极化并改善SWM模块抗污染性能的潜在手段。这通常通过改变垫片几何形状（如厚度[11]和网孔角度[12]、[13]）、改变垫片层数[14]或重塑垫片纤维丝[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]来实现。此外，增材制造（如3D打印）的进步使得复杂结构进料垫片的制造成为可能[22]。因此，各种新型垫片已被开发并在中试研究中进行了检验，包括具有三次周期极小曲面[9]、[23]、3D振动纤维[24]、蜂窝状几何结构[25]或涡轮功能[26]的垫片。
上述垫片设计的主要目标是控制进料流通道的水力特性。因此，理解基本的水力原理对于战略性优化垫片和改善整体膜系统性能至关重要。涡流和剪切效应是分析进料垫片所产生的效应的关键主题。例如，Xie等人[27]建立了与正弦垫片相关的流场模型，发现在进料通道的波峰和波谷处形成的泰勒-格特利涡流增强了溶质混合。这降低了膜表面的溶质浓度并增加了渗透通量。Lau[12]、Kerdi[18]、[19]、Ali[26]及其合作者发现，诱导不稳定的湍流状态会产生不稳定的剪切力，从而有效地减少膜表面的污染物积累。这些作者还认为，高剪切条件可以放大作用在膜表面附近迁移的颗粒/污染物上的升力，从而增强颗粒返输并有效限制其在膜上的沉积[28]。然而，垫片填充通道中的详细流场结构仍然知之甚少，这阻碍了对SWM中湍流的精确控制。
根据现代边界层理论，涡流和剪切效应是边界层不稳定性的宏观表现。涡流代表了失稳后形成的流动结构，而剪切应力则源于涡流和高速核心流对膜面的作用。具体而言，SWM中的垫片和膜表面创造了与进料通道中流体和溶质边界层形成密切相关的流动边界。由于进料通道狭窄且交叉流速度较低（0.05至0.20 m/s），SWM模块中的主体交叉流通常在层流区域运行[6]、[29]、[30]。因此，进料垫片作为嵌入层流边界层中的湍流促进器发挥作用。此外，感受性是层流-湍流边界层转捩过程中的首要且关键阶段。这一过程与外部扰动如何在边界层中传播并产生不稳定扰动波有关[31]、[32]。典型的外部扰动包括自由涡[33]、振动[34]和粗糙表面[35]。进料垫片具有周期性图案，对边界层施加了几何约束。这种配置有效地创造了水力粗糙表面，满足了边界层不稳定性的外部条件。因此，边界层不稳定性提供了一个统一的框架来解释垫片配置如何影响流场模式并最终影响SWM中的传质效率。因此，有必要对进料垫片引起的边界层感受性进行深入研究，以更好地揭示SWM模块中垫片流体力学行为的潜在机制。这正是本研究的主要目标。
本研究的具体目标包括两个方面：(1) 全面考察商售进料垫片对流场和边界层演化的影响；(2) 研究边界层不稳定性对污染物传质的影响。为此，首先进行了实验室实验，以确定商售进料垫片调控下的纳滤膜有机物沉积情况。接着，将水力实验与计算流体动力学（CFD）模拟相结合，分析进料通道中的流场条件。随后，通过示踪剂迁移的原位观察评估了进料通道内的溶质输运动态。最后，对所得实验和模拟结果进行了综合分析，以阐明垫片触发的边界层转捩的起始标准和进展途径。本研究为使用SWM进行HPMF中流动不稳定性研究和污染倾向性研究提供了新范式。
章节摘要
进料垫片与模型设置
本研究使用的进料垫片取自拆卸的卷式纳滤膜模块。随后，使用配备远程显微镜（型号SW-600，湖南三文科教仪器有限公司）的光学显微镜（型号HT-XG402GM-T，迈迪维讯，中国）对其几何特征进行表征，并使用ImageJ软件（版本1.53C，美国国立卫生研究院）进行分析。基于表征数据，利用软件重建了垫片的数字模型。
垂直于膜面方向的溶质分布演化
通过刚果红的原位实时观察来研究交叉流通道中的溶质输运。图4展示了刚果红在x-z平面内的时间扩散，其中灰度强度与示踪剂浓度相关（值越大表示浓度越高）。图S6展示了视场以及插入的进料垫片布局。在t = 0.25 s时，刚果红在注射后无论是否存在
结论
本研究采用了一种商售方形网状进料垫片，研究了垫片特征对卷式膜模块中边界层不稳定性。过滤性能基于渗透通量衰减和污染物沉积模式进行了评估。采用CFD建模更好地模拟了垫片填充通道中的边界层转捩。该信息与原位实时观察相结合，用于确定溶质输运
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。
致谢
本研究由国家重点研发计划资助（2019YFA0705800）。
Kang Liu|张孟琪|Tang Juan|黄海欧
