气液界面传质机理解析模型构建及数值模拟研究

发布时间：2017-10-06 10:26

  本文关键词：气液界面传质机理解析模型构建及数值模拟研究

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【摘要】：气液界面传质过程广泛存在于搅拌釜、鼓泡塔、气升式环流反应器、精馏塔、萃取塔、撞击流反应器等单元设备中。理解气液界面传质过程对于设计和优化这些单元设备具有重要意义,但目前关于气液两相传质过程的理论尚不完善,现有的理论模型仍存在不足。例如,经典的传质模型(渗透理论模型、表面更新模型等)过于理想化、一些模型参数(如表面暴露时间)不能准确测量等。因此,这些模型在实际应用时常有较大局限性。本文围绕如何深入研究界面传质机理并建立合理的理论模型,开展了以下两个方面的工作。首先,本文推导、构建了气液界面传质机理解析理论模型。使用特征线法,以二维非稳态对流扩散、传质方程为出发点,推导了一个新的传质系数模型。该模型在全能谱范围内考虑了不同尺度流体微元对传质速率的贡献,可用于预测湍流条件下液相侧传质系数。前人模型大都采用所有涡旋均可抵达气液界面的假定,但本文经过分析认为,该假定未考虑不同涡旋抵达界面概率的差异性,因而不合理。本文引入了涡旋抵达界面的概率密度分布函数,可以不再采用上述假定。此外,本文还考虑了湍流中不同尺度涡旋数目密度、气泡尺寸、气泡表面变形与摆动对传质过程的影响。本文非稳态模型预测的平均传质系数与文献报道实验数据吻合良好。然后,本文使用数值模拟方法对气液界面传质过程进行了研究。从气液两相三维对流、扩散方程着手,推导了一个新的描述气液界面传质过程的单流体浓度输运模型。为求解这个三维传质模型,本文使用了有限体积法来对其进行离散,并使用VOF法来跟踪气液界面。同时,本文使用开源软件OpenFoam为平台,开发了上述三维传质模型的求解器程序,并采用PIMPLE算法来求解速度与压力耦合方程。运用构建的求解器程序,对不同直径气泡在静止流体中上升的过程进行了数值模拟,并分析了气泡上升的轨迹、速度、表面变形等对气液界面传质过程的影响,估计了液相侧的局部传质系数。本文数值模拟的结果与前人报道的实验结果吻合良好。
【关键词】：界面传质 抵达频率密度 传质系数 VOF法
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ021.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 主要符号对照表9-13
• 第1章 文献综述13-24
• 1.1 气液界面传质的研究现状13-22
• 1.1.1 传质理论研究现状13-17
• 1.1.2 传质实验研究现状17-18
• 1.1.3 传质数值模拟研究现状18-22
• 1.2 现有研究存在的不足22-23
• 1.2.1 传质理论研究的不足22
• 1.2.2 数值模拟研究的不足22-23
• 1.3 本文主要工作及创新性23-24
• 第2章 多尺度下非稳态传质解析模型的构建24-35
• 2.1 模型基本简化与假设24
• 2.2 液相侧传质系数的推导24-29
• 2.3 气泡表面变形分析29-31
• 2.4 旋涡抵达气泡表面的概率密度分布31-32
• 2.5 湍流参数和涡旋数目密度32-33
• 2.6 能谱函数33-35
• 第3章 气液界面传质解析模型的预测结果与讨论35-42
• 3.1 稳态模型与非稳态模型的比较35-36
• 3.2 积分限的影响36-37
• 3.3 单涡传质系数和涡旋抵达气泡表面的概率密度分布37-39
• 3.4 与其他模型预测结果以及实验数据的对照39-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 气液界面传质的数值模拟研究42-64
• 4.1 控制方程42-46
• 4.1.1 VOF模型控制方程42-43
• 4.1.2 气液两相体系溶质浓度传递输运模型的推导43-46
• 4.2 气液界面传质模型数值离散46-47
• 4.3 速度压力耦合方法47
• 4.4 传质模型求解器程序构建47-49
• 4.5 数值模拟结果分析49-63
• 4.5.1 气泡运动过程分析50-58
• 4.5.2 气液两相传质过程分析58-63
• 4.6 本章小结63-64
• 第5章 结论与展望64-66
• 5.1 本文主要工作及结论64
• 5.2 展望64-66
• 参考文献66-72
• 致谢72-73
• 附录73

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