变形液滴/气泡的多相传质过程及Marangoni效应的模拟

发布时间：2021-04-21 23:09

　　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的产生,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,例如广泛应用的吸收、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效应的相互作用,一方面有助于深刻理解传递机理,完善其相间传质理论；另一方面可建立可靠的传热／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。本文主要考察传质引起的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Levelset方法计... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)北京市

【文章页数】：155 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 文献综述
    1.1 引言
    1.2 Marangoni效应的研究进展
        1.2.1 Marangoni效应的发生
        1.2.2 Marangoni效应的发展
        1.2.3 Marangoni效应与相间传质过程
        1.2.4 表面活性剂对Marangoni效应的影响
        1.2.5 小结
    1.3 数值模拟方法
        1.3.1 多相流的数值计算方法
        1.3.2 相间传质的模拟研究
    1.4 论文研究内容简介
2 Level set方法计算两相流动及相间传质的数学模型
    2.1 前言
    2.2 数学模型
        2.2.1 Level set方法追踪界面运动
        2.2.2 Level set方法模拟相间传质控制方程
    2.3 控制方程的无量纲化
    2.4 数值离散方法
        2.4.1 SIMPLEC算法离散动量控制方程和压力方程
        2.4.2 曲率的计算
        2.4.3 Level set函数φ控制方程的离散化
        2.4.4 Level set函数φ重新初始化方程的离散化
        2.4.5 相间传质方程的离散化
        2.4.6 时间步长的选取
    2.5 计算步骤
    2.6 本章小结
3 单气泡在剪切变稀流体中溶解过程的模拟
    3.1 引言
    3.2 数学模型与计算方法
        3.2.1 控制方程
        3.2.2 体积修正法
        3.2.3 并行计算方法
        3.2.4 网格无关性
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 模拟体系
        3.3.2 气泡体积预测
        3.3.3 气液传质系数
        3.3.4 浓度场与粘度分布
    3.4 本章小结
4 Semi-Lagrangian对流格式模拟相间传质及Marangoni效应
    4.1 前言
    4.2 数值方法
        4.2.1 水平集方法求解液液两相流动及传质Marangoni效应
        4.2.2 Level set方法求解相间传质
        4.2.3 Semi-Lagrangian对流离散格式
        4.2.4 计算域及边界条件
    4.3 数值方法验证
        4.3.1 算法区域选择
        4.3.2 网格无关性讨论
        4.3.3 相间传质计算验证
    4.4 结果与讨论
        4.4.1 传质系数预测（有Marangoni效应）
        4.4.2 Marangoni效应对传质系数的影响
        4.4.3 传质Marangoni的发展
    4.5 本章小结
5 单个球形液滴的非稳态运动及传质Marangoni效应的三维模拟
    5.1 引言
    5.2 数学模型
        5.2.1 球坐标系下两相流运动控制方程
        5.2.2 液滴受力分析
        5.2.3 球坐标系下的相间传质控制方程
        5.2.4 控制方程的数值计算方法
        5.2.5 数值计算步骤
    5.3 网格无关性讨论
    5.4 模型验证
    5.5 结果与讨论
        5.5.1 Marangoni效应的三维构型
        5.5.2 Marangoni效应对传质系数的影响
        5.5.3 Marangoni效应对液滴速度的影响
        5.5.4 Marangoni效应的空间限制
    5.6 本章小结
6 具有可变形界面的相间传质及Marangoni效应的三维模拟
    6.1 引言
    6.2 数学方法
    6.3 计算设置
    6.4 结果与讨论
    6.5 本章小结
7 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 创新点
    7.3 展望
符号表
参考文献
附录A
个人简历及发表文章目录
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]A volume-amending method to improve mass conservation of level set approach for incompressible two-phase flows[J]. LI XiangYang1, WANG YueFa 1, YU GengZhi1, YANG Chao1,2 & MAO ZaiSha1 1 Key Laboratory of Green Process and Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2 Jiangsu Institute of Marine Resource Exploitation, Lianyungang 222005, China.  Science in China（Series B:Chemistry）. 2008(11)
[2]两液层体系传质引发的Marangoni效应的数值模拟（英文）[J]. 毛在砂,陆平,张广积,杨超.  Chinese Journal of Chemical Engineering. 2008(02)
[3]A Simple Weighted Integration Method for Calculating Surface Tension Force to Suppress Parasitic Flow in the Level Set Approach[J]. 王剑峰,杨超,毛在砂.  Chinese Journal of Chemical Engineering. 2006(06)
[4]Marangoni效应与汽液传质过程[J]. 张志炳,耿皎,张锋,孟为民.  化工学报. 2003(04)
[5]An Improved Level Set Approach to the Simulation of Drop and Bubble Motion[J]. 杨超,毛在砂.  Chinese Journal of Chemical Engineering. 2002(03)
[6]Experimental and Numerical Investigations of Single Drop Mass Transfer in Solvent Extraction Systems with Resistance in Both Phases[J]. 李天文,毛在砂,陈家镛,费维扬.  Chinese Journal of Chemical Engineering. 2002(01)
[7]Measurement of Concentration Fields near the Interface of a Rising Bubble by Holographic Interference Technique[J]. 马友光,成弘,余国琮.  Chinese Journal of Chemical Engineering. 1999(04)



本文编号：3152668