气液传质过程的Marangoni效应研究

论文题目: 气液传质过程的Marangoni效应研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 化学工程

作者: 余黎明

导师: 余国琮

关键词: 效应,纹影仪,气液传质

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 表面张力梯度导致的表面流体的流动现象通常被称为Marangoni效应。本文旨在研究气液传质系统的Marangoni效应,以及它对传质过程的强化作用。首先采用激光纹影仪对Maranogni效应进行了定性的观测研究。在气液传质过程中发生了Marangoni对流现象,其中Marangoni对流结构包括典型的多边形结构以及无序混乱的界面流动现象,局部表面张力梯度是产生Marangoni对流的主要原因。文章从Maranong不稳定性的角度对光学实验结果进行了解释,Marangoni数(Ma)作为衡量界面对流稳定性的参数。其次,定量研究了降膜流动过程中Maranogni效应。采用激光多普勒系统对液相流场的瞬时动力学特征进行了测量,以及测量了液相传质系数。实验结果说明在液膜流动中存在规律性的速度扰动,界面的小尺度流动加速了表面更新率,所以Marangoni效应的存在可以提高传质速率。测量了气液逆流降膜流动的液相传质系数,实验结果和渗透理论的计算结果进行了比较。当Marangoni数大于临界值的以后,实验测量的液相传质系数kL能够提高3倍以上。文章分析了Marangoni对流强度对液相传质系数的影响,采用实验关联式描述Maranogni效应对传质过程的影响。采用Marangoni数对传质关联式进行修正明显减小了实验数据和理论预测之间的偏差。第三,使用线性稳定性理论分析了传质过程中引发Marangoni对流的临界条件。应用稳定性理论证明了系统中Marangini对流的发生,以及系统稳定性和Sc、Bi数之间的关系。最后,采用CFD方法对伴有Marangoni效应的传质过程的流场和浓度场进行了模拟研究。使用了基于有限元理论的流体体积法(the Volume of Fluid,简称VOF)进行追踪气液自由表面。采用连续表面力模型(the Continuum Surface Force,简称CSF)用于描述气液界面的动力学边界条件。模拟结果说明传质过程中的小尺度Marangoni旋涡结构强化了传质过程,在模拟研究和实验数据的基础上对Marangoni对流对传质的影响进行了对比分析。

论文目录:

中文摘要

ABSTRACT

第一章文献综述

1.1 Marangoni效应

1.1.1 Marangoni效应的实验观测研究进展

1.1.1.1 传热过程的Marangoni效应的实验测量研究

1.1.1.2 传质过程的Marangoni效应的实验观察研究

1.1.1.3 Marangoni效应对传质效率的影响

1.1.2 Marangoni效应的实际应用

1.1.2.1 Marangoni效应在化学工程领域的应用

1.1.2.2 Marangoni效应在其他工业领域的研究

1.2 传质理论

1.2.1 早期经典传质理论

1.2.1.1 双膜理论

1.2.1.2 渗透理论

1.2.1.3 表面更新模型

1.2.2 经典传质模型的发展

1.2.2.1 膜渗透理论

1.2.2.2 修正表面更新模型

1.2.2.3 普遍化渗透模型

1.2.2.4 旋涡扩散模型

1.2.2.5 旋涡池模型

1.2.2.6 统计理论

1.2.3 现代气液传质基础研究进展

1.2.3.1 近界面微观现象对传质影响的研究

1.2.3.2 Marangoni效应的相关理论研究进展

1.3 Marangoni效应的研究意义和前景

第二章 Marangoni效应的定性实验研究

2.1 引言

2.2 实验装置

2.2.1 激光纹影仪

2.2.2 实验流程

2.2.2.1 静止液膜的纹影实验流程

2.2.2.2 降膜实验流程

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 传质过程中Marangoni和Rayleigh-Bénard效应

2.3.2 热效应的影响

2.3.3 Marangoni效应的光学观测结果

2.3.3.1 气液水平接触系统的Marangoni效应

2.3.3.2 气液垂直接触系统的Marangoni效应

2.3.4 Marangoni对流机理

2.3.4.1 规则Marangoni对流

2.3.4.2 不规则Marangoni对流

2.4 小结

第三章 Marangoni效应的定量研究

3.1 引言

3.2 实验流程

3.2.1 激光多普勒（LDA）测速原理

3.2.2 激光多普勒系统（LDA）的组成

3.2.3 LDA的测量过程

3.3 降膜解吸实验的结果和讨论

3.3.1 LDA的测速结果与分析

3.3.1.1 液膜厚度

3.3.1.2 液相速度

3.3.1.3 最大速度和平均速度比率

3.3.1.4 表面波动频率

3.3.2 传质理论的修正

3.4 小结

第四章 Marangoni效应的线性稳定性分析研究

4.1 引言

4.2 线性稳定性分析研究

4.2.1 物理模型

4.2.2 数学模型

4.2.2.1 模型控制方程

4.2.2.2 初始条件和边界条件

4.2.2.3 数值计算过程

4.3 数值结果与分析

4.3.1 临界Marangoni数Ma_(Cr)

4.3.2 临界时间τ_(Cr)

4.4 小结

第五章 Marangoni效应的非线性数值研究

5.1 引言

5.2 传质物理模型

5.2.1 模型方程

5.2.2 初始条件和边界条件

5.2.3 动量源项的确定

5.2.3.1 表面张力动量源项F_(VOL)

5.2.3.2 气液界面剪应力动量源项F_(LG)

5.2.4 相间传质源项S_(LG)

5.2.5 网格划分及数值求算方法

5.3 结果和讨论

5.3.1 水平解吸过程CFD模拟结果和讨论

5.3.1.1 界面流场特征

5.3.1.2 界面浓度场特征

5.3.1.3 液相传质加强因子

5.3.2 降膜解吸过程CFD模拟结果和讨论

5.3.2.1 降膜流动的表面波动结构

5.3.2.2 液相传质Sherwood数

5.4 小结

第六章研究结论与展望

6.1 研究结论

6.2 Marangoni效应的研究展望

6.2.1 气液界面浓度分布的实验测定

6.2.2 研究传质有效相际面积

6.2.3 表面活性剂对Marangoni效应的影响

6.2.4 非线性理论的深入研究

符号说明

参考文献

发表论文

致谢

发布时间: 2007-07-10

参考文献

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