本文關鍵詞：氣液界面?zhèn)髻|機理解析模型構建及數值模擬研究

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【摘要】：氣液界面?zhèn)髻|過程廣泛存在于攪拌釜、鼓泡塔、氣升式環(huán)流反應器、精餾塔、萃取塔、撞擊流反應器等單元設備中。理解氣液界面?zhèn)髻|過程對于設計和優(yōu)化這些單元設備具有重要意義,但目前關于氣液兩相傳質過程的理論尚不完善,現有的理論模型仍存在不足。例如,經典的傳質模型(滲透理論模型、表面更新模型等)過于理想化、一些模型參數(如表面暴露時間)不能準確測量等。因此,這些模型在實際應用時常有較大局限性。本文圍繞如何深入研究界面?zhèn)髻|機理并建立合理的理論模型,開展了以下兩個方面的工作。首先,本文推導、構建了氣液界面?zhèn)髻|機理解析理論模型。使用特征線法,以二維非穩(wěn)態(tài)對流擴散、傳質方程為出發(fā)點,推導了一個新的傳質系數模型。該模型在全能譜范圍內考慮了不同尺度流體微元對傳質速率的貢獻,可用于預測湍流條件下液相側傳質系數。前人模型大都采用所有渦旋均可抵達氣液界面的假定,但本文經過分析認為,該假定未考慮不同渦旋抵達界面概率的差異性,因而不合理。本文引入了渦旋抵達界面的概率密度分布函數,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目密度、氣泡尺寸、氣泡表面變形與擺動對傳質過程的影響。本文非穩(wěn)態(tài)模型預測的平均傳質系數與文獻報道實驗數據吻合良好。然后,本文使用數值模擬方法對氣液界面?zhèn)髻|過程進行了研究。從氣液兩相三維對流、擴散方程著手,推導了一個新的描述氣液界面?zhèn)髻|過程的單流體濃度輸運模型。為求解這個三維傳質模型,本文使用了有限體積法來對其進行離散,并使用VOF法來跟蹤氣液界面。同時,本文使用開源軟件OpenFoam為平臺,開發(fā)了上述三維傳質模型的求解器程序,并采用PIMPLE算法來求解速度與壓力耦合方程。運用構建的求解器程序,對不同直徑氣泡在靜止流體中上升的過程進行了數值模擬,并分析了氣泡上升的軌跡、速度、表面變形等對氣液界面?zhèn)髻|過程的影響,估計了液相側的局部傳質系數。本文數值模擬的結果與前人報道的實驗結果吻合良好。
【關鍵詞】：界面?zhèn)髻| 抵達頻率密度 傳質系數 VOF法
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ021.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 主要符號對照表9-13
• 第1章 文獻綜述13-24
• 1.1 氣液界面?zhèn)髻|的研究現狀13-22
• 1.1.1 傳質理論研究現狀13-17
• 1.1.2 傳質實驗研究現狀17-18
• 1.1.3 傳質數值模擬研究現狀18-22
• 1.2 現有研究存在的不足22-23
• 1.2.1 傳質理論研究的不足22
• 1.2.2 數值模擬研究的不足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)傳質解析模型的構建24-35
• 2.1 模型基本簡化與假設24
• 2.2 液相側傳質系數的推導24-29
• 2.3 氣泡表面變形分析29-31
• 2.4 旋渦抵達氣泡表面的概率密度分布31-32
• 2.5 湍流參數和渦旋數目密度32-33
• 2.6 能譜函數33-35
• 第3章 氣液界面?zhèn)髻|解析模型的預測結果與討論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 單渦傳質系數和渦旋抵達氣泡表面的概率密度分布37-39
• 3.4 與其他模型預測結果以及實驗數據的對照39-41
• 3.5 本章小結41-42
• 第4章 氣液界面?zhèn)髻|的數值模擬研究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 氣液兩相體系溶質濃度傳遞輸運模型的推導43-46
• 4.2 氣液界面?zhèn)髻|模型數值離散46-47
• 4.3 速度壓力耦合方法47
• 4.4 傳質模型求解器程序構建47-49
• 4.5 數值模擬結果分析49-63
• 4.5.1 氣泡運動過程分析50-58
• 4.5.2 氣液兩相傳質過程分析58-63
• 4.6 本章小結63-64
• 第5章 結論與展望64-66
• 5.1 本文主要工作及結論64
• 5.2 展望64-66
• 參考文獻66-72
• 致謝72-73
• 附錄73

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