本文關(guān)鍵詞：氣液界面?zhèn)髻|(zhì)機(jī)理解析模型構(gòu)建及數(shù)值模擬研究

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【摘要】：氣液界面?zhèn)髻|(zhì)過(guò)程廣泛存在于攪拌釜、鼓泡塔、氣升式環(huán)流反應(yīng)器、精餾塔、萃取塔、撞擊流反應(yīng)器等單元設(shè)備中。理解氣液界面?zhèn)髻|(zhì)過(guò)程對(duì)于設(shè)計(jì)和優(yōu)化這些單元設(shè)備具有重要意義,但目前關(guān)于氣液兩相傳質(zhì)過(guò)程的理論尚不完善,現(xiàn)有的理論模型仍存在不足。例如,經(jīng)典的傳質(zhì)模型(滲透理論模型、表面更新模型等)過(guò)于理想化、一些模型參數(shù)(如表面暴露時(shí)間)不能準(zhǔn)確測(cè)量等。因此,這些模型在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常有較大局限性。本文圍繞如何深入研究界面?zhèn)髻|(zhì)機(jī)理并建立合理的理論模型,開展了以下兩個(gè)方面的工作。首先,本文推導(dǎo)、構(gòu)建了氣液界面?zhèn)髻|(zhì)機(jī)理解析理論模型。使用特征線法,以二維非穩(wěn)態(tài)對(duì)流擴(kuò)散、傳質(zhì)方程為出發(fā)點(diǎn),推導(dǎo)了一個(gè)新的傳質(zhì)系數(shù)模型。該模型在全能譜范圍內(nèi)考慮了不同尺度流體微元對(duì)傳質(zhì)速率的貢獻(xiàn),可用于預(yù)測(cè)湍流條件下液相側(cè)傳質(zhì)系數(shù)。前人模型大都采用所有渦旋均可抵達(dá)氣液界面的假定,但本文經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為,該假定未考慮不同渦旋抵達(dá)界面概率的差異性,因而不合理。本文引入了渦旋抵達(dá)界面的概率密度分布函數(shù),可以不再采用上述假定。此外,本文還考慮了湍流中不同尺度渦旋數(shù)目密度、氣泡尺寸、氣泡表面變形與擺動(dòng)對(duì)傳質(zhì)過(guò)程的影響。本文非穩(wěn)態(tài)模型預(yù)測(cè)的平均傳質(zhì)系數(shù)與文獻(xiàn)報(bào)道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。然后,本文使用數(shù)值模擬方法對(duì)氣液界面?zhèn)髻|(zhì)過(guò)程進(jìn)行了研究。從氣液兩相三維對(duì)流、擴(kuò)散方程著手,推導(dǎo)了一個(gè)新的描述氣液界面?zhèn)髻|(zhì)過(guò)程的單流體濃度輸運(yùn)模型。為求解這個(gè)三維傳質(zhì)模型,本文使用了有限體積法來(lái)對(duì)其進(jìn)行離散,并使用VOF法來(lái)跟蹤氣液界面。同時(shí),本文使用開源軟件OpenFoam為平臺(tái),開發(fā)了上述三維傳質(zhì)模型的求解器程序,并采用PIMPLE算法來(lái)求解速度與壓力耦合方程。運(yùn)用構(gòu)建的求解器程序,對(duì)不同直徑氣泡在靜止流體中上升的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并分析了氣泡上升的軌跡、速度、表面變形等對(duì)氣液界面?zhèn)髻|(zhì)過(guò)程的影響,估計(jì)了液相側(cè)的局部傳質(zhì)系數(shù)。本文數(shù)值模擬的結(jié)果與前人報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
【關(guān)鍵詞】：界面?zhèn)髻|(zhì) 抵達(dá)頻率密度 傳質(zhì)系數(shù) VOF法
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ021.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 主要符號(hào)對(duì)照表9-13
• 第1章 文獻(xiàn)綜述13-24
• 1.1 氣液界面?zhèn)髻|(zhì)的研究現(xiàn)狀13-22
• 1.1.1 傳質(zhì)理論研究現(xiàn)狀13-17
• 1.1.2 傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀17-18
• 1.1.3 傳質(zhì)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀18-22
• 1.2 現(xiàn)有研究存在的不足22-23
• 1.2.1 傳質(zhì)理論研究的不足22
• 1.2.2 數(shù)值模擬研究的不足22-23
• 1.3 本文主要工作及創(chuàng)新性23-24
• 第2章 多尺度下非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)解析模型的構(gòu)建24-35
• 2.1 模型基本簡(jiǎn)化與假設(shè)24
• 2.2 液相側(cè)傳質(zhì)系數(shù)的推導(dǎo)24-29
• 2.3 氣泡表面變形分析29-31
• 2.4 旋渦抵達(dá)氣泡表面的概率密度分布31-32
• 2.5 湍流參數(shù)和渦旋數(shù)目密度32-33
• 2.6 能譜函數(shù)33-35
• 第3章 氣液界面?zhèn)髻|(zhì)解析模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與討論35-42
• 3.1 穩(wěn)態(tài)模型與非穩(wěn)態(tài)模型的比較35-36
• 3.2 積分限的影響36-37
• 3.3 單渦傳質(zhì)系數(shù)和渦旋抵達(dá)氣泡表面的概率密度分布37-39
• 3.4 與其他模型預(yù)測(cè)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)照39-41
• 3.5 本章小結(jié)41-42
• 第4章 氣液界面?zhèn)髻|(zhì)的數(shù)值模擬研究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 氣液兩相體系溶質(zhì)濃度傳遞輸運(yùn)模型的推導(dǎo)43-46
• 4.2 氣液界面?zhèn)髻|(zhì)模型數(shù)值離散46-47
• 4.3 速度壓力耦合方法47
• 4.4 傳質(zhì)模型求解器程序構(gòu)建47-49
• 4.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析49-63
• 4.5.1 氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析50-58
• 4.5.2 氣液兩相傳質(zhì)過(guò)程分析58-63
• 4.6 本章小結(jié)63-64
• 第5章 結(jié)論與展望64-66
• 5.1 本文主要工作及結(jié)論64
• 5.2 展望64-66
• 參考文獻(xiàn)66-72
• 致謝72-73
• 附錄73

【相似文獻(xiàn)】

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