拓扑结构上薄膜流体的流动特性研究

发布时间：2017-07-07 18:03

  本文关键词：拓扑结构上薄膜流体的流动特性研究

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【摘要】：在工业过程中,薄膜流体经常被作为一种高效传热/传质的手段,使用于蒸馏塔、吸收塔和换热器等设备中。基板上的拓扑结构,对薄膜流体的流动特性具有非常重要的影响,从而改变其传热／传质的效率。本文利用计算流体力学数值仿真和流场显示化实验,对拓扑结构上薄膜流体的流动特性进行了研究。研究中使用了开源软件OpenFOAM对拓扑结构上的薄膜流体进行数值仿真。为了对OpenFOAM中多的相流模型进行精度验证,将仿真计算结果与努赛尔解析解Nusselt solution)、基于PIV (Particle Image Velocimetry)和 LIF (Light Induced Fluorescenc e)的实验数据以及文献中的研究结果进行比较,验证了计算模型的准确性。在此基础上,利用该数值模型对薄膜流体进行了一系列的仿真研究,主要研究成果如下：一、对三角形波纹上厚度较大的薄膜流体进行数值仿真和实验研究后发现,流场内的漩涡有两种不同的形成原理：第一种是由结构引起的,一般出现在较为陡峭的波谷间,并且受薄膜流体流量的影响很小；第二种则是由流体的惯性力引起的,跟薄膜流体的流量有直接的关联。对重力驱动、厚度较小的薄膜流体进行研究后,发现了类似的现象。二、研究中发现,三角形结构波纹会引起重力驱动的薄膜流体的共振现象。这个现象与其他文献中发现的正弦形波纹上的共振现象类似,即：薄膜流体在一定的波纹结构上,随着流量的变化存在一个临界点；在这个共振点上,薄膜流体内部的漩涡尺寸、自由表面上波浪的幅度及相位,均会发生突变。三、研究了波纹斜边的不同陡度,即：在保持波纹周长不变的情况下改变其幅度,对薄膜流体的影响。结果显示,三角形波纹斜边的陡度不会影响薄膜流体共振点的移动,但是陡度较大的波纹能引起较大的自由表面波浪和法向速度强度。较大的波浪能增加自由表面的面积,而法向速度强度则能增加薄膜流体表面与底部的对流,因此这两个参数的增大均有利于增强传热/传质效果。四、液体表面张力与薄膜流体共振现象有着紧密的联系：表面张力对薄膜流体自由表面上的波浪形成具有阻碍作用,表面张力较小的薄膜流体在流量较小的时候就发生了共振现象,而加大液体表面张力能使薄膜流体的共振点推后到流量较大时才发生；表面张力对薄膜流体中法向速度强度的影响巨大,较大的表面张力能使法向速度强度的增长出现非线性,并且在共振点上出现一个局部最大值。本文还对薄膜流体自由表面上的波浪的相位进行了研究。五、对三维波纹结构塔板上的薄膜流体进行了数值仿真研究。结果显示,流体基本上是绕着三维波纹结构运动,波纹结构之间形成的空间内速度较大,而波谷及波峰处则速度较小。由于三维结构波纹能引起薄膜流体在三个方向上的扰动,因此这种结构的波纹相对于二维波纹结构能大幅度提高薄膜流体与气相间的传质效率。通过研究拓扑结构改变对薄膜流体传热/传质效率的影响,为优化设计基板拓扑结构提供了依据。
【关键词】：薄膜流体 三角形波纹 多相流 计算流体力学 VOF(Volume of fluid) LIF(Light Induced Fluorescence) PIV(Particle Image Velocimetry)
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ021.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 符号说明12-17
• 1. 研究背景17-32
• 1.1 基于长波假设的近似算法20-24
• 1.1.1 忽略惯性力的薄膜流体模型21-23
• 1.1.2 包含惯性力的薄膜流体模型23-24
• 1.2 薄膜流体的奈维斯托克斯方程解24-27
• 1.3 薄膜流体稳定性分析27-30
• 1.4 本文的主要研究内容30-32
• 2. 薄膜流体数学模型及数值算法32-55
• 2.1 基于有限体积法的计算流体力学32-45
• 2.1.1 求解域的离散化32-34
• 2.1.2 变量的布置与存储34-35
• 2.1.3 方程离散化35-40
• 2.1.4 边界条件40-42
• 2.1.5 时域离散化42-43
• 2.1.6 线性代数方程组求解43-45
• 2.2 利用VOF计算薄膜流体自由表面位置45-55
• 2.2.1 控制方程46-47
• 2.2.2 指示函数的定义47-48
• 2.2.3 指示函数方程的有界压缩48-49
• 2.2.4 表面张力计算49-50
• 2.2.5 最终动量方程组50-51
• 2.2.6 压力-速度求解过程51-52
• 2.2.7 时间步控制52-53
• 2.2.8 求解顺序53-55
• 3. 倾斜平板上薄膜流体的数值仿真55-72
• 3.1 随机性扰动的重力驱动薄膜流体55-59
• 3.1.1 数值模型介绍56-57
• 3.1.2 结果对比及分析57-59
• 3.2 周期性扰动的重力驱动薄膜流体研究59-71
• 3.2.1 数值模型介绍59-60
• 3.2.2 结果对比及分析60-71
• 3.3 本章小结71-72
• 4. 水平二维波纹结构上的薄膜流体72-85
• 4.1 数值模型介绍72-73
• 4.2 实验装置介绍73-75
• 4.3 结果对比及分析75-76
• 4.4 利用数值模型进行研究76-83
• 4.4.1 研究通道宽度对流场的影响76-78
• 4.4.2 不同波谷位置处的薄膜流体结果对比78-79
• 4.4.3 不同陡度三角形波纹对漩涡形成的影响79-82
• 4.4.4 相似性理论的验证82-83
• 4.5 本章小结83-85
• 5. 二维波纹结构上重力驱动的薄膜流体85-107
• 5.1 重力驱动薄膜流体自由表面位置比较85-91
• 5.1.1 实验装置介绍85-86
• 5.1.2 数值模型介绍86-87
• 5.1.3 网格无关性分析87-91
• 5.1.4 自由表面位置出较及流场分析91
• 5.2 数值仿真结果与PIV测量结果比较91-95
• 5.2.1 实验方法介绍91-92
• 5.2.2 数值模型介绍92-94
• 5.2.3 结果对比及分析94-95
• 5.3 重力驱动薄膜流体的数值模拟研究95-105
• 5.3.1 共振现象97-99
• 5.3.2 三角形波纹斜边陡度对薄膜流体的影响99-101
• 5.3.3 液体表面张力对薄膜流体的影响101-104
• 5.3.4 薄膜流体自由表面上波浪的相位移动104-105
• 5.4 本章小结105-107
• 6. 三维波纹结构上重力驱动的薄膜流体107-116
• 6.1 数值模型107-110
• 6.2 结果对比及流场分析110-115
• 6.3 本章小结115-116
• 7. 总结与展望116-119
• 参考文献119-139
• 攻博期间发表的论文139-140
• 个人简历140

【参考文献】

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本文编号：531211