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变形液滴/气泡的多相传质过程及Marangoni效应的模拟; Numerical simulation of the interphase mass transfer of adeformable drop/bubble and the Marangoni effect
陈杰
学位类型博士
导师杨超
2015-05
学位授予单位中国科学院研究生院
学位专业化学工程
关键词Marangoni效应 相间传质 Level Set方法 Semi-lagrangian对流离散格式 液滴/气泡
摘要在两相界面上,往往伴随着传热或传质过程,容易发生温度或溶质浓度不均匀(或表面活性剂分布不均匀)并导致界面张力梯度,引发界面附近流体流动,这种界面不稳定性被称为Marangoni效应。因其发生在传热或传质边界层及附近区域,会对传热或传质过程造成重大的影响。然而在化工工业生产中,尤其是液液或气液两相接触设备及反应器中,生产效率往往依赖于通过液滴或气泡的表面的溶剂或反应物的传递过程速率,例如应用非常广泛的吸收、精馏和萃取中的传热传质过程以及搅拌槽或微反应器中的化学反应过程等。因此,深入研究相间传热/传质与Marangoni效应,一方面有助于深刻理解传递机理,完善其相间传质理论;另一方面可建立普适的传热/传质系数经验关联式,对分离设备和反应器的设计放大至关重要。 Marangoni效应是多相流动与相间传热/传质过程高度耦合的结果,机理十分复杂。本文主要考虑传质引起的Marangoni效应。为了简化问题,通常假定在恒温系统中,单个液滴或气泡在另一不互溶液体组成的无限大连续相中做非稳态运动并伴随传质过程。初始时刻,液滴或气泡为球形且无速度。在此模型基础上,本文改进了Level set方法计算两相流及相间传质的数值计算方法,并采用Fortran语言编写程序进行数值模拟。该程序不仅可以通用于气液或液液体系,也适用于不同的传质阻力控制情况;通过添加相应模块,也可以描述非牛顿流体体系。 在此通用程序基础上,计算了CO2气泡在CMC溶液中的溶解过程。该过程为连续相阻力控制,其中CMC溶液为非牛顿流体,以Carreau模型描述其剪切变稀性质,并耦合体积变换法描述气泡溶解过程。结果表明,气泡体积预测值与实验值吻合。由于气泡的非稳态运动,导致流场粘度发生变化,而流场粘度分布又导致气泡尾流中的溶质浓度分布呈现了不同的形态。 采用浓度变换法处理相间传质过程不连续的界面边界,利用一组统一的方程描述相间传质过程。但是,在相界面处浓度梯度大且伴随界面变形,数值扩散严重。因此,本文引入Semi-Lagrangian对流离散格式抑制对流传质过程的数值扩散问题,提高了对真实体系传质过程的预测准确度。采用新算法对二维液滴界面上传质Marangoni效应进行了数值再现,准确地预测了伴随Marangoni效应发生过程的传质系数,并分析了局部亚颗粒尺度涡流对相间传质过程的影响。 实际上,Marangoni效应发生和发展于三维空间。除此之外,液滴在连续相中的运动也并非轴对称的情况,而是伴有震荡和侧向迁移。为了简化问题,在不考虑液滴变形的影响的情况下,以三维球形液滴为研究对象,数值模拟三维传质Marangoni效应的发展。模拟时,在界面处局部加密网格,网格最小尺度为10 μm左右,有利于捕捉界面不稳定性细节。由数值计算得知,Marangoni效应在三维空间上的发展滞后于内环流的形成,流型并非轴对称而且存在周向流动。 在单液滴内部空间狭小,Marangoni对流受到了空间的限制。此外,液滴的变形行为对Marangoni对流有着不可忽视的影响。因此将Level set方法推广到三维格式,模拟三维可变形液滴的非稳态运动及相间传质过程。对具有较低表面张力的MIBK-醋酸-水体系进行了传质Marangoni效应的模拟计算。由于三维计算量巨大,本文采用较疏的网格设置得到了初步的结果,为后续采用更合理的网格设置及大规模并行化计算提供了可行的计算方法和程序基础。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20330
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
陈杰. 变形液滴/气泡的多相传质过程及Marangoni效应的模拟, Numerical simulation of the interphase mass transfer of adeformable drop/bubble and the Marangoni effect[D]. 中国科学院研究生院,2015.
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