微细圆管及扁平管内液-液Taylor流动特性的数值研究

微细通道内Taylor流动广泛应用于能源化工领域，为分析其相界面及阻力特性，利用相对坐标系的方法，研究了竖直圆管及扁平管内的液-液Taylor流动，讨论了通道宽高比、Reynolds数（Re）及分散相体积分数对液膜厚度和两相压降的影响。结果表明：圆管内液滴头部和尾部可以膨胀至近似球形，而扁平管内壁面的限制作用较强，液滴呈现扁平状。随Reynolds数增大，两相界面逐渐收缩，液膜厚度逐渐上升。圆管内液膜厚度比较均匀，扁平管内液膜在通道顶部较薄，而圆弧部分较厚。两相压降随Re和宽高比的增大而增大，随分散相体积分数的增大而降低。相比连续相和分散相压降，界面压降所占的比重最高，并依据模拟结果，提出了圆管及扁平管内液-液Taylor流动的压降预测公式。     

低Reynolds数下水平管降膜滴状流动的实验研究

为了充分了解水平管降膜滴状流动现象,以水为实验流体,采用高速高清摄像仪对不同管距下水平管降膜滴状流动进行了可视化的实验研究。实验观察了低Reynolds数Re≤200、管间距s≤40 mm 范围内的管间滴状流动过程。根据流动形态的特征,将滴状流动划分为堆积滴状流、不完全滴状流、吊坠滴状流、完全滴状流和不完全回缩滴状流。依据实验结果,绘制了滴状流动形态分区图。提出了分离长度的概念,并讨论了流量对分离长度的影响。研究了低Reynolds数下液滴流动的滴落点间距与流量的关系。结果表明,滴状流的管间流动形态不仅受流量的影响,同时也受管间距的影响。分离长度随着Re的增大呈两段式线性增大。液滴流动的滴落点间距在Re≤100范围内随Re增大而减小,在100<Re≤200范围内趋于平稳。此外,分别建立了分离长度和滴落点间距与Re的关系式。     

微通道内低黏聚合物流体的停留时间分布研究

以低分子量的聚丙二醇为流动介质、酸性橙的N,N-二甲基乙酰胺溶液为示踪剂,采用脉冲响应法测定了螺旋型微通道（MC）反应器内的停留时间分布（RTD）,验证了平行多釜串联（PTIS）模型与RTD实验数据的匹配性,系统考察了MC长度和Reynolds数（Re）对RTD的影响,并讨论了流体径向速度分布指数y和Peclet数（Pe）的变化规律。结果表明,RTD随MC长度的增加而变窄。当通过降低黏度来增大Re时,RTD随之变窄。当通过增大流速来增大Re时,若管径较大,则RTD随之变窄。但若管径较小且管长不长时,则RTD随Re的增加而变宽;如管长较长,则RTD随Re（或流速）的增加先变宽后变窄,即存在临界Reynolds数（Re_c）。RTD的这些变化规律表明,二次流动和径向分子扩散对细小管径的MC的RTD有显著的影响。     

毛细管内气液Taylor流动的气泡及阻力特性

采用相对坐标系方法,研究毛细管(d 2mm)内充分发展垂直上升气液Taylor流动,分析两种工作介质下Taylor气泡的形状、上升速度、液膜厚度以及压降特性。结果表明:随着两相表观速度(V_tp)增大,Taylor气泡长度增大,气泡尾部曲率半径增大。气泡长度及内部回流区随着气泡体积分数(ξ_g)增大而增大,量纲1液膜厚度与气泡上升速度与毛细数(Ca)正相关,模拟结果与经验公式吻合较好。摩擦阻力因子(f_c)随V_tp与ξ_g的增大而降低,N₂/乙二醇为工质的Taylor流动f_c低于单相情况,而N₂/水为工质的Taylor流动f_c高于单相情况。Kreutzer等的流型依赖公式以及Lockhart等的分离模型可较好预测本文的两相压降,模拟结果与预测值的误差在±10%以内,常规通道所推荐C 5仍然适用于本文毛细管情况。     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理，本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化，重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中，气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜，该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果，换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚，液膜热阻相应增大，液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响，结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积，表现出更高的相变传热效率；而小气泡对壁面温度影响较小。     

气液两相并流向下通过筛板孔口单元的压降特性

针对堆叠筛板填料的基本单元，采用12种不同规格的孔板，研究了气液两相并流向下通过孔口的压降特性，阐明了气液流量、孔板结构对压降的影响规律。结果表明：压降随气液流量的增加而增大；随孔径的增大而减小；在筛板常用厚度范围内，孔口锐缘效应使得压降随板厚减小而增大。根据孔口压降行为不同，以气相雷诺数Re_G=5000分界，建立了单一气相向下通过孔口的压降预测关联式；然后利用气相折算因子对关联式进行修正，得到了Re_G>5000时气液并流向下通过孔口的压降预测关联式；当Re_G<5000时，通过直接对单一气相阻力系数进行修正，得到了相应气相雷诺数范围内的气液两相压降预测关联式。     

基于停留时间分布的缠绕管内二次流研究

缠绕管内二次流能够显著强化管内传质、传热性能。通过测量缠绕管内液体的停留时间分布,利用无量纲方差σ²表征二次流强度,研究了缠绕直径、缠绕角度、缠绕管管径等结构参数对二次流的影响。结果表明：在径向流动未达到极限迁移距离的缠绕管中,随着液体Reynolds数Re的增大,σ²先减小后增大,对应缠绕管内依次出现的湍流作用区和二次流作用区;在径向流动达到极限迁移距离的缠绕管中,随着Re的增大,σ²先减小后增大最后趋于平稳,对应缠绕管内依次出现的湍流作用区、二次流作用区和二次流极限区。从湍流作用区转变为二次流作用区的临界Reynolds数Re_S随缠绕管缠绕直径和管径的减小而减小,缠绕角度对Re_S的影响较小。     

水在不同接触角微柱群内的流动特征

采用向改性有机硅稀溶液中加入2%全氟辛基氟硅烷以及微纳米粒子的方法制备疏水液,通过改变微纳米粒子添加量调控疏水液固化成涂层后的表观接触角,紫铜叉排排列微柱群表面经不同疏水液处理后接触角分别为99.5°、119.5°和151.5°(水为工质),并测试流道内流动阻力和压力降。实验结果表明,相同Reynolds数(Re)下流道内摩擦因子(f)比疏水处理前有明显下降,主要是由于疏水性界面的张力作用所致;相同Re下,接触角越大,疏水涂层双重结构中微纳米凸起间距越小,去离子水与空气接触面增大,使得摩擦因子减小;随Re增加,3种涂层实验段内的减阻率均不断降低。     

气液旋流器内液相平均停留时间

旋流设备内伴有传热、传质或反应过程时,介质停留时间是其关键参数。在冷模实验装置上,采用持液量法,对气液旋流器内液相平均停留时间进行了研究。结果表明,液相停留时间随入口含液率增大明显降低,随入口气速增大降低较小。气液界面剪切力远小于液相重力是入口气速对液相停留时间影响较小的主要原因。基于液膜受力平衡,建立了气液旋流器内液相平均停留时间模型。模型预测停留时间与实测值总体吻合良好,在液膜Reynolds数Re_l< 1200范围内,模型预测停留时间偏大,讨论了模型预测偏差与液膜流型的关系。     

竖直管外气液逆流环状降膜速度与温度分布

建立了竖直管外环状降膜气液逆流传热传质条件下稳态层流降膜一维速度分布和二维温度分布模型,以及膜厚和降膜表面热通量的数值计算方法。表面热通量的模型计算值与实验值在气体Reynolds数Re_g<1200的范围内吻合较好,表明基于界面摩擦因子求解模型的方法在两相均为层流条件下是可靠的。模型显示了降膜速度分布和温度分布的非线性特征,降膜表面附近陡降的温度梯度表明,减小膜厚是强化降膜传热传质过程的有效途径。     

错流降膜液体干燥剂除湿/再生传热传质数学模型及分析

分析了错流降膜液体干燥剂除湿及再生传热传质过程 ,建立了基于实际除湿系统的描述再生和除湿过程的数学模型 ,考虑到除湿过程中产生的热效应 ,以氯化钙溶液为除湿剂时 ,对气侧和液侧的传热传质系数进行了理论和数值求解 .计算结果表明 ,传热传质系数与气流流动状态、除湿剂的热物理性质等因素有关     

Interfacial Friction Factor Prediction in Vertical Annular Flow Based on the Interface Roughness

Correlations for the interface roughness are proposed for conditions without or with disturbance waves for vertical annular flow. The decisive role of interface roughness in the interfacial friction factor is specified through a comparison of ten correlations for the interfacial friction factor with an experimental database. The effect of the disturbance wave on the interface roughness is analyzed to figure out the influence parameters, which are the superficial gas and liquid Reynolds numbers for conditions without disturbance waves and gas core and liquid film Reynolds numbers for conditions with disturbance waves. The proposed correlations improve the prediction precision of the interfacial friction factor, especially in smooth and transitional regimes.     

The effect of liquid film vaporization on natural convection heat and mass transfer in a vertical tube

A numerical analysis was carried out to investigate the effects of film vaporization on natural convection heat and mass transfer in a vertical tube. Results for interfacial Nusselt and Sherwood numbers are presented for air-ethanol and air-water systems for various conditions. Predicted results show that heat transfer along the gas-liquid interface is dominated by the transport of latent heat in association with the vaporization of the liquid film. Additionally, the predicted results obtained by including transport in the liquid film are contrasted with those where liquid film transport is neglected, showing that the assumption of an extremely thin film made by Chang et al. (1986) and Yan and Lin (1990) is only valid for systems with small liquid mass flow rates. For systems with a high liquid film Reynolds number, Re₁₀, the assumption of an extremely thin film is seriously in error.     

气液降膜流动中液相速度波动及其传质研究

为了研究降膜流动的动力学性质及其对气液传质过程的影响,在气液逆流的不同气液流动条件下采用激光多普勒(1aser Doppler anemometer,简称LDA)测量了降膜流动的液相速度分布和瞬时速度波动.和以往假定液膜外侧为自由表面,液膜表面处剪切力为零的Nusselt模型进行了比较,LDA测量结果表明气液逆流时降膜流动的最大液相速度出现在液膜表面之内,并且是以近界面区域的速度波动为特征的流动.在相同的降膜装置中进行了乙醇稀溶液的解吸实验,液相传质系数的实验测量值是渗透理论预测值的1～2倍.实验结果表明液相界面区域的速度波动加快了气液界面的表面更新速率,减小了传质阻力,强化了气液界面的传质过程.考虑液膜波动特征对气液接触情况的影响,从气液两相接触时间的角度出发,修正了渗透理论对液相平均传质系数的预测,预测结果和实验结果相吻合.     

切应力作用下层流降膜传热特性的数学分析

利用合流超几何函数求解了切应力作用下降膜过程的能量方程,其中液膜内速度分布由气液界面切应力决定,并解得努塞尔数的计算表达式,分析了液膜温度和努塞尔数的变化趋势,讨论了同向与反向切应力、贝克来数对层流降膜传热特性的影响。分析表明,同向切应力作用下液膜最大速度恒位于气液界面处,对液膜具有拉薄效应,因此换热效果优于反向切应力作用,且努塞尔数随着切应力的增大而增大,而反向切应力则相反;同时努塞尔数在发展段随贝克来数的增大而增大,在充分发展阶段趋于一致。     

管内垂直下降液膜速度与厚度分布特性

对洗涤冷却管内垂直降膜的流动特性进行研究,采用超声波多普勒测速仪对管内不同周向以及轴向位置的液膜厚度和速度进行了无接触式的测量,液膜Reynolds数范围为1.0×10⁴~3.1×10⁴。结果表明:在0°周向位置上液膜厚度与速度均达到最大值,导致该位置局部液膜厚度过大而不能保持稳定,部分液体脱离液膜表面,此外还造成了8°和16°位置的液膜厚度激增。在轴向上,当Reynolds数小于2.0×10⁴时,液膜速度在重力作用下随流动距离增加而增加,反之,液膜速度因为流动阻力会随距离增加而减小。随着Reynolds数的增大,液膜平均厚度和速度呈增大趋势。此外,Reynolds数的增大还会使得液膜更加不稳定。     

Liquid Flow on Structured Packing: CFD Simulation and Experimental Study

A CFD model of the two‐phase countercurrent flow in the geometry of the plate‐type structured packing Mellapak 250.Y was built, tested and verified. The model was applied to determine the effect of liquid and gas flow rates and physicochemical properties of the flowing liquids on the interfacial area formed on structured packing. The CFD model allowed us to determine the minimum liquid flow rate at which an unbroken liquid film was observed on the packing surface. The simulations confirmed that with an increase of the wetting rate the surface of the packing covered with a liquid film increased until the surface was totally covered up, while further slight changes of an interfacial area were the result of wave formation. The effect of gas load (F factor) on the film surface was in the range of a calculation error. Results of the CFD simulation allow us to predict the stages of film formation during liquid flow, to follow local velocity oscillations, film thickness and velocity profiles of phases.     

Effect of surfactant additives on co-current gas-liquid downflow

The influence of a surfactant additive on the interfacial structure and on the transition from the smooth to the wavy stratified flow regime in inclined pipes is investigated for various gas-liquid flow rates. The effect of a surfactant on the gas-liquid stratified downflow patterns is studied using a dilute aqueous solution of a non-ionic surfactant (Tween^®80), which is found to have a dramatic effect on two-phase flow characteristics. A conventional solution having a surface tension similar to that of the surfactant solution is also employed and this verifies that the atypical behavior of the surfactant solution is ascribed to its special chemical structure and not to its low surface tension. Liquid layer thickness time records are acquired using a parallel-wire conductance technique from which the statistics of the layer thickness, as well as wave celerities, are calculated. Laser doppler anemometry (LDA) is employed to investigate the flow structure in the thin liquid layer both with and without interfacial shear induced by a co-current gas flow. A differential pressure transducer is used for pressure drop measurements in the liquid phase. The interpretation of the results verifies that the “delayed” appearance of the interfacial waves should be associated with the turbulence retardation within the liquid layer and it facilitates the clarification of the mechanisms in which the surfactant interacts with the turbulent structures and causes significant drag reduction.     

竖直管降膜蒸发器流动与传热过程的数值模拟

针对竖直管降膜蒸发器的技术特点,在计算流体力学和传热学理论分析基础上,采用FLUENT软件,运用自定义函数(UDF)编写传质源项,对降膜蒸发器的加热管内液体沿壁面呈膜状下降流动并受热汽化过程进行了三维数值模拟研究,模拟采用Mixture两相流层流模型,Simple算法。模拟结果以3D形式表现了液体沿运动方向在管壁发展成膜的过程,并将模拟得到的液膜厚度与理论计算得到的液膜厚度进行了比较。模拟结果表明,竖直降膜蒸发器加热管具有液膜薄,均匀性好的特点,管表面容易形成柱状流,液膜厚度为1.0 mm。