液滴内部流动及吸收二氧化硫的数值研究

发布时间：2020-02-15 05:46

【摘要】：人类赖以生存的大气中充满了各种各样的污染气体及气溶胶粒子,对人类的的生存及社会的可持续发展产生了巨大的影响。化石燃料燃烧产生的SO_2、NOx等气体被云或雾中的液滴吸收并以雨、雪的形式降落地表形成酸雨,对生态环境造成了极其严重的破坏,因此研究液滴吸收SO_2的过程,对探索酸雨的形成机理及控制SO_2的扩散有着重要的意义。液滴在空气中运动时,表面的剪切力诱发液滴内部流动,内部流动对液滴吸收SO_2过程影响的研究尚处于起步阶段,本文利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)软件Fluent对液滴内部流动及吸收SO_2气体过程进行数值研究,主要工作如下:(1)建立了描述液滴内部流动的数值模型,采用VOF(Volume of fluid,简称VOF)方法并结合用户自定义函数(User Defined Functions,简称UDF)数值模拟了单液滴及双液滴内部流动,分析研究不同雷诺数下单液滴及双液滴内部流态及发展过程。结果表明:单液滴内部会产生一对对称的涡流,涡流中心距液滴中心大约为三分之二的液滴半径。当雷诺数大于40时,受液滴外部尾涡影响,液滴内部首先会产生一大一小两对涡流,随后液滴内部恢复为一对稳定涡流。当粒径相同的两个液滴在空气中运动时,受表面剪切力作用,两个液滴内部各产生一对对称涡流,涡流中心距液滴中心大约为三分之二的液滴半径。相同雷诺数下,左边液滴内部涡流强度大于右边液滴。左边液滴内部涡流强度随雷诺数的增大速度要大于右边液滴。(2)基于气液相间传质理论,通过UDF实现液滴内部流动及对SO_2气体的吸收,建立了液滴吸收SO_2的数值模型,采用VOF方法数值模拟了未变形液滴与变形液滴吸收SO_2的过程,分析研究不同雷诺数下液滴内部SO_2传质机理,通过对比相同雷诺数下变形液滴与未变形液滴的传质特征时间之比,分析研究变形率对液滴吸收SO_2过程的影响。结果表明:液滴吸收SO_2过程的传质过程受扩散传质与内部循环传质控制,涡流形成的特征时间要远小于扩散传质的特征时间,因此整个传质过程都被涡流传质所影响。当雷诺数较小时(Re_g=0.137),径向扩散传质主导整个传质过程,而当雷诺数较大时(Reg=13.7),内部循环主导着整个传质过程。在中等雷诺数时(Reg=1.37),传质过程受两种传质方式综合影响。液滴变形对于液滴吸收SO_2过程影响很小,可以忽略不计。(3)基于气液相间传质理论,通过UDF实现了含内核液滴内部流动及对SO_2气体的吸收,建立了含内核液滴吸收SO_2的数值模型,采用VOF方法数值模拟了固定雷诺数下带不同粒径内核液滴吸收SO_2的过程,分析研究内核粒径大小对液滴吸收SO_2过程的影响。结果表明:固体内核有明显的流动阻滞效应,对传质过程有着很大的影响。雷诺数为1.0的情况下,当内核粒径较小时(α=0.5,0.6,0.7),径向扩散与内部循环对传质的作用基本相当,致使SO_2浓度轮廓与液滴内部流线一直有关联。但随着固体内核进一步扩大时(α≥0.8),内部循环传质跟不上径向扩散传质,径向扩散控制整个传质过程,也就是说SO_2在液滴内部以一维形式传质。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X517

【参考文献】