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.pdf

1、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。
　　本文首先推導(dǎo)、構(gòu)建了氣液界面?zhèn)髻|(zhì)機(jī)理解析理論模

2、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

3、動(dòng)對(duì)傳質(zhì)過(guò)程的影響。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，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(kāi)源軟件OpenFoam為平臺(tái)，開(kāi)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)