本文關(guān)鍵詞：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上薄膜流體的流動(dòng)特性研究

  更多相關(guān)文章： 薄膜流體 三角形波紋 多相流 計(jì)算流體力學(xué) VOF(Volume of fluid) LIF(Light Induced Fluorescence) PIV(Particle Image Velocimetry)

【摘要】：在工業(yè)過程中,薄膜流體經(jīng)常被作為一種高效傳熱/傳質(zhì)的手段,使用于蒸餾塔、吸收塔和換熱器等設(shè)備中�；迳系耐�?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)薄膜流體的流動(dòng)特性具有非常重要的影響,從而改變其傳熱／傳質(zhì)的效率。本文利用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真和流場(chǎng)顯示化實(shí)驗(yàn),對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上薄膜流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。研究中使用了開源軟件OpenFOAM對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的薄膜流體進(jìn)行數(shù)值仿真。為了對(duì)OpenFOAM中多的相流模型進(jìn)行精度驗(yàn)證,將仿真計(jì)算結(jié)果與努賽爾解析解Nusselt solution)、基于PIV (Particle Image Velocimetry)和 LIF (Light Induced Fluorescenc e)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)中的研究結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,利用該數(shù)值模型對(duì)薄膜流體進(jìn)行了一系列的仿真研究,主要研究成果如下：一、對(duì)三角形波紋上厚度較大的薄膜流體進(jìn)行數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn),流場(chǎng)內(nèi)的漩渦有兩種不同的形成原理：第一種是由結(jié)構(gòu)引起的,一般出現(xiàn)在較為陡峭的波谷間,并且受薄膜流體流量的影響很小；第二種則是由流體的慣性力引起的,跟薄膜流體的流量有直接的關(guān)聯(lián)。對(duì)重力驅(qū)動(dòng)、厚度較小的薄膜流體進(jìn)行研究后,發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。二、研究中發(fā)現(xiàn),三角形結(jié)構(gòu)波紋會(huì)引起重力驅(qū)動(dòng)的薄膜流體的共振現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象與其他文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的正弦形波紋上的共振現(xiàn)象類似,即：薄膜流體在一定的波紋結(jié)構(gòu)上,隨著流量的變化存在一個(gè)臨界點(diǎn)；在這個(gè)共振點(diǎn)上,薄膜流體內(nèi)部的漩渦尺寸、自由表面上波浪的幅度及相位,均會(huì)發(fā)生突變。三、研究了波紋斜邊的不同陡度,即：在保持波紋周長(zhǎng)不變的情況下改變其幅度,對(duì)薄膜流體的影響。結(jié)果顯示,三角形波紋斜邊的陡度不會(huì)影響薄膜流體共振點(diǎn)的移動(dòng),但是陡度較大的波紋能引起較大的自由表面波浪和法向速度強(qiáng)度。較大的波浪能增加自由表面的面積,而法向速度強(qiáng)度則能增加薄膜流體表面與底部的對(duì)流,因此這兩個(gè)參數(shù)的增大均有利于增強(qiáng)傳熱/傳質(zhì)效果。四、液體表面張力與薄膜流體共振現(xiàn)象有著緊密的聯(lián)系：表面張力對(duì)薄膜流體自由表面上的波浪形成具有阻礙作用,表面張力較小的薄膜流體在流量較小的時(shí)候就發(fā)生了共振現(xiàn)象,而加大液體表面張力能使薄膜流體的共振點(diǎn)推后到流量較大時(shí)才發(fā)生；表面張力對(duì)薄膜流體中法向速度強(qiáng)度的影響巨大,較大的表面張力能使法向速度強(qiáng)度的增長(zhǎng)出現(xiàn)非線性,并且在共振點(diǎn)上出現(xiàn)一個(gè)局部最大值。本文還對(duì)薄膜流體自由表面上的波浪的相位進(jìn)行了研究。五、對(duì)三維波紋結(jié)構(gòu)塔板上的薄膜流體進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。結(jié)果顯示,流體基本上是繞著三維波紋結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng),波紋結(jié)構(gòu)之間形成的空間內(nèi)速度較大,而波谷及波峰處則速度較小。由于三維結(jié)構(gòu)波紋能引起薄膜流體在三個(gè)方向上的擾動(dòng),因此這種結(jié)構(gòu)的波紋相對(duì)于二維波紋結(jié)構(gòu)能大幅度提高薄膜流體與氣相間的傳質(zhì)效率。通過研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變對(duì)薄膜流體傳熱/傳質(zhì)效率的影響,為優(yōu)化設(shè)計(jì)基板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：薄膜流體 三角形波紋 多相流 計(jì)算流體力學(xué) VOF(Volume of fluid) LIF(Light Induced Fluorescence) PIV(Particle Image Velocimetry)
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ021.1
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 符號(hào)說明12-17
• 1. 研究背景17-32
• 1.1 基于長(zhǎng)波假設(shè)的近似算法20-24
• 1.1.1 忽略慣性力的薄膜流體模型21-23
• 1.1.2 包含慣性力的薄膜流體模型23-24
• 1.2 薄膜流體的奈維斯托克斯方程解24-27
• 1.3 薄膜流體穩(wěn)定性分析27-30
• 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容30-32
• 2. 薄膜流體數(shù)學(xué)模型及數(shù)值算法32-55
• 2.1 基于有限體積法的計(jì)算流體力學(xué)32-45
• 2.1.1 求解域的離散化32-34
• 2.1.2 變量的布置與存儲(chǔ)34-35
• 2.1.3 方程離散化35-40
• 2.1.4 邊界條件40-42
• 2.1.5 時(shí)域離散化42-43
• 2.1.6 線性代數(shù)方程組求解43-45
• 2.2 利用VOF計(jì)算薄膜流體自由表面位置45-55
• 2.2.1 控制方程46-47
• 2.2.2 指示函數(shù)的定義47-48
• 2.2.3 指示函數(shù)方程的有界壓縮48-49
• 2.2.4 表面張力計(jì)算49-50
• 2.2.5 最終動(dòng)量方程組50-51
• 2.2.6 壓力-速度求解過程51-52
• 2.2.7 時(shí)間步控制52-53
• 2.2.8 求解順序53-55
• 3. 傾斜平板上薄膜流體的數(shù)值仿真55-72
• 3.1 隨機(jī)性擾動(dòng)的重力驅(qū)動(dòng)薄膜流體55-59
• 3.1.1 數(shù)值模型介紹56-57
• 3.1.2 結(jié)果對(duì)比及分析57-59
• 3.2 周期性擾動(dòng)的重力驅(qū)動(dòng)薄膜流體研究59-71
• 3.2.1 數(shù)值模型介紹59-60
• 3.2.2 結(jié)果對(duì)比及分析60-71
• 3.3 本章小結(jié)71-72
• 4. 水平二維波紋結(jié)構(gòu)上的薄膜流體72-85
• 4.1 數(shù)值模型介紹72-73
• 4.2 實(shí)驗(yàn)裝置介紹73-75
• 4.3 結(jié)果對(duì)比及分析75-76
• 4.4 利用數(shù)值模型進(jìn)行研究76-83
• 4.4.1 研究通道寬度對(duì)流場(chǎng)的影響76-78
• 4.4.2 不同波谷位置處的薄膜流體結(jié)果對(duì)比78-79
• 4.4.3 不同陡度三角形波紋對(duì)漩渦形成的影響79-82
• 4.4.4 相似性理論的驗(yàn)證82-83
• 4.5 本章小結(jié)83-85
• 5. 二維波紋結(jié)構(gòu)上重力驅(qū)動(dòng)的薄膜流體85-107
• 5.1 重力驅(qū)動(dòng)薄膜流體自由表面位置比較85-91
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹85-86
• 5.1.2 數(shù)值模型介紹86-87
• 5.1.3 網(wǎng)格無關(guān)性分析87-91
• 5.1.4 自由表面位置出較及流場(chǎng)分析91
• 5.2 數(shù)值仿真結(jié)果與PIV測(cè)量結(jié)果比較91-95
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)方法介紹91-92
• 5.2.2 數(shù)值模型介紹92-94
• 5.2.3 結(jié)果對(duì)比及分析94-95
• 5.3 重力驅(qū)動(dòng)薄膜流體的數(shù)值模擬研究95-105
• 5.3.1 共振現(xiàn)象97-99
• 5.3.2 三角形波紋斜邊陡度對(duì)薄膜流體的影響99-101
• 5.3.3 液體表面張力對(duì)薄膜流體的影響101-104
• 5.3.4 薄膜流體自由表面上波浪的相位移動(dòng)104-105
• 5.4 本章小結(jié)105-107
• 6. 三維波紋結(jié)構(gòu)上重力驅(qū)動(dòng)的薄膜流體107-116
• 6.1 數(shù)值模型107-110
• 6.2 結(jié)果對(duì)比及流場(chǎng)分析110-115
• 6.3 本章小結(jié)115-116
• 7. 總結(jié)與展望116-119
• 參考文獻(xiàn)119-139
• 攻博期間發(fā)表的論文139-140
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷140

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：531211