激光诱导荧光技术观测填料表面非等温降膜流动形态变化

非等温降膜流动在精馏过程中较为常见,其流动特性较为特殊,对填料表面的质量和热量传递有重要影响。本文搭建了可视化的实验装置,在保证液相室温进料的前提下升高填料温度,在规整填料表面构造液相被加热的非等温降膜流动,运用激光诱导荧光技术对液膜形态变化进行观测分析,对液体润湿面积、液膜厚度等参数进行比较。结果表明,随着填料温度的升高,液体润湿面积显著减小,波谷处液膜厚度显著增加,液膜逐渐收缩为沟流,填料表面的不规则液滴数目增多,干板现象越发严重。液体的聚并和分散轨迹消失,液相再分布及表面更新能力降低。因此,填料表面的非等温降膜流动液膜收缩现象十分明显,降低传热传质能力,需在工业生产中引起足够重视。     

倾斜波纹板上液膜流动的CFD研究

利用VOF法建立了液膜在倾斜波纹板上的气-液两相流CFD模型,并根据液膜流动特点提出了表面张力动量源项和气液界面作用力动量源项.模拟结果与文献实验值吻合较好,表明本文提出的CFD液膜流动模型具有一定的可靠性.通过模拟不同性质的液体在不同表面结构波纹板上的流动过程发现,波纹板表面微观结构以及液体性质尤其是液体的表面张力对连续液膜的形成有重要作用,表明通过改变波纹板面微观结构以及降低液体的表面张力可以促进连续液膜的形成,对提高气液之间的传质效率有重要意义.     

波纹板表面流体流动特性的数值模拟

利用计算流体动力学CFD商业软件FLUENT,以多相流模型中的VOF模拟为基础,建立了波纹板式的计算模型,考察了液体流速、板面结构、液体物性对液膜流动的影响。模拟结果表明,在一定范围内,随着流速的增加,液膜的厚度和流动时间都减小;波纹板结构直接影响液膜流动,凹槽较浅的波纹板有利于连续液膜的产生,波谷滞留液内发生液体回流形成漩涡;液体的表面张力直接影响连续液膜的产生和断裂,表面张力、黏度、流量共同决定了液膜的厚度和相位差。     

非平整倾斜表面上流动液膜的影响因素分析

基于流体体积函数法(VOF),分别从液体物性和液相入口流速等因素对非平整倾斜表面上的液膜流动特性进行数值模拟,得出流体黏度的增大可增大液膜厚度并降低液膜整体流动速度,但不影响液膜与壁面之间的相位角;流体表面张力影响液膜与壁面之间的相位差及液膜的均匀性;液相入口雷诺数的增大可以增大液膜厚度,当雷诺数增大到一定程度时,液膜厚度不再有明显的变化,且液膜表面趋于光滑。研究结果表明:液膜的流动形式由液体各项物性和液相入口流速共同决定。     

功能表面材料与流体界面相互作用对垂直降液膜流动特性的影响

通过调节水温度、添加表面活性剂以及铝合金壁面表面改性处理来改变降膜流体与固体表面之间的表面自由能差值,运用JDC-2000型精密测微仪测定垂直降液膜的厚度,研究固体表面和液体间相互作用对流体垂直降膜流动特性的影响;考察了液膜雷诺数、流体温度、添加表面活性剂、固体表面材料物理化学性质等因素对垂直壁面降液膜流动特性的影响规律。实验结果表明:改变固体表面与降液膜流体的物理化学特性,即改变固液界面的相互作用能够改变流体的降膜流动特性。降液膜平均厚度随液固表面自由能差的增大而减小。     

液体管外降膜的实验

在实验的基础上探讨了液体在垂直管外降膜的流动特性,分析了影响液体管外成膜均匀性和润湿性的影响因素,提出了布膜装置的环隙在0.5～2.0mm有一最佳值,喷淋密度在250～700kg/(m·h)之间有一最佳值,布膜装置的进液采用单管沿壁面旋转270°切向流的进液方式,并对液体管外降膜装置的设计提出了建议。     

水平管外降膜蒸发流动和传热特性数值模拟

建立三维模型并模拟了制冷剂R410A在水平管外的降膜流动和蒸发过程,探究了喷淋密度、热通量和布液孔偏离管轴心距离对降膜流动和传热的影响。结果表明：沿管周方向,液膜厚度和传热系数逐渐减小并趋于稳定,至管底处由于局部液体堆积,液膜增厚、传热系数降低;喷淋密度较小时,总传热系数随着热通量增加而降低,随着喷淋密度增加而显著提高;液膜Reynolds数达2000后,总传热系数随喷淋密度增加而缓慢提升并趋于平稳,此时热通量的增加会提升总传热系数;随着布液偏心距的增加,总传热系数先略微上升并趋于平稳,而后由于出现局部“干涸”和液膜堆积区域,总传热系数急剧下降;随喷淋密度的增加,总传热系数急剧下降的临界点会逐渐往大偏心距偏移。     

高黏度液体在波纹竖壁上自由降落的分析

对高黏度液体在波纹形壁面上的自由降落进行了分析.首先对控制微分方程及边界条件作了量纲为1化处理,然后引入量纲为1流函数,采用摄动展开法对微分方程进行幂级数展开,得到了0级近似和一级近似的微分方程组,建立了这种情况下波纹表面降膜流动的近似分析模型,讨论了液膜的流动特性.     

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。     

内翅板蒸发式冷凝器水膜流动特性

为了提高蒸发式冷凝器板外换热性能以及增强板外气液两相流动,设计了4种新型内翅板蒸发式冷凝器换热板片结构,实验测试不同喷淋密度下各换热板片上的水膜流动形态及喷淋密度对板片换热性能的影响。结果表明:水膜厚度随喷淋密度减小而减薄;喷淋密度较大时,受板片结构及气液剪切力影响,水膜流动向中心区域聚集,且部分区域会出现水膜飞溅现象;随着喷淋密度减小,水膜飞溅现象逐渐消失,但在低喷淋密度时部分板片会有"干斑"现象。半圆波纹板片在喷淋密度分别为0.524kg/(m·s)、0.738kg/(m·s)、0.905kg/(m·s)时,换热性能均优于其他换热板片,且在此喷淋密度时,板片换热面积及水膜稳定时间是影响其换热性能的主要因素。本实验研究为内翅板蒸发冷凝器的工程应用和设计提供理论指导。     

不同流型下离子液体-MEA复合工质降膜吸收CO2特性

以氨基酸离子液体和乙醇胺混合水溶液为吸收剂研究逆流气体对竖直平板降膜流型转换的影响,考察了3种流型下液体流量和入口温度、气体流量和进口CO₂浓度对CO₂吸收性能的影响。结果表明:随着液体流量的增加,液膜呈现溪流、片状流和完整流3种流型,降膜流型转换临界流量随逆流气体流量增大而增加;溪流和片状流时CO₂吸收速率随液体流量的增加而增加,但在完整流条件下基本不变;完整流下具有较高的CO₂吸收速率,然而溪流下的液相传质系数最高。     

Surface flow and drainage films created by horizontal impinging liquid jets

The surface wetting behaviour of spray ball jets was investigated by considering the simple case of a single horizontal, coherent jet of liquid impinging normally on a vertical surface. The liquid flows radially outwards from the point of impingement until a feature resembling a hydraulic jump is formed. The liquid subsequently drains downwards to give a uniform falling film, here labelled gravity flow, or a thin strand labelled rivulet flow. A simple model of the radial flow region based on momentum balances gave excellent agreement with measurements of flow region radius and falling film width data reported previously by Morison and Thorpe (2002) for various aqueous solutions and surfaces under typical industrial flow rates. The model also gave good predictions of flow region dimensions in new, unreported bench scale tests performed with water on glass and Perspex at lower flow rates. The latter studies involved wetting rates lower than the stability criterion reported by Hartley and Murgatroyd (1964). A transition between gravity and rivulet flow was observed with water on glass between 40 °C and 60 °C: only rivulet flow was observed with water on Perspex, indicating the importance of contact angle in this region. The model is reported in dimensionless form, which allows the wetted width to be predicted directly from the mass flow rate.     

Simulation of the hydrodynamics and mass transfer in a falling film wavy microchannel

The flow in a liquid falling film is predominantly laminar, and the liquid-side mass transfer is limited by molecular diffusion. The effective way to enhance the mass transfer is to improve the liquid film flow behavior. The falling film behaviors of water, ethanol and ethylene glycol in nine different wavy microchannels were simulated by Computational Fluid Dynamics. The simulation results show that the falling film thickness exhibits a waveform distribution resulting in a resonance phenomenon along the wavy microchannel. The fluctuation of liquid film surface increases the gas–liquid interface area, and the internal eddy flow inside the liquid film also improves the turbulence of liquid film, the gas–liquid mass transfer in falling film microchannels is intensified. Compared with flat microchannel, the CO_2 absorption efficiency in water in the wavy microchannel is improved over 41%. Prediction models of liquid film amplitude and average liquid film thickness were established respectively.     

多排平直翅片管换热器表面气液降膜流动特性的三维数值模拟

基于VOF模型建立了考虑重力、表面张力及界面摩擦力源项的多排平直翅片管换热器表面气液两相降膜流动三维瞬态CFD模型。不同气流速度下液膜厚度模拟结果与文献中试验值吻合较好,最大偏差小于5%,表明所建立CFD模型是可靠的。通过研究壁面接触角为30°时不同气液Reynolds数下液膜流动特性,结果表明：翅片管表面满膜流的临界Reynolds数Re_l为239,临界喷淋密度为0.06 kg/(m·s);在239 ≤ Re_l ≤ 995内,其平均液膜厚度较Nusselt理论解高16.8%～35.1%;气液逆流和顺流时气相Reynolds数Re_g应分别小于2190.7和3286.0,其主要原因在于过高的Re_g会导致气液界面摩擦力快速增大,从而引发液膜破裂和液滴脱落等现象恶化设备性能。总之,气液顺流更有利于在较高气相Reynolds数下实现翅片管表面的较薄满膜流动。     

Falling liquid film stability in microgas/liquid absorption

Increasing mass transfer efficiencies is reached in G/L absorption contactors thanks to stabilization of the liquid flow. Hydrodynamic studies about the stability of a liquid film thickness are carried out to explain variations of mass transfer efficiencies during absorption experiments. These studies are based on the analytical expression developed by Hobler (1964) [1] which enables to predict the minimum wetting rate (MWR) and the minimum liquid film thickness (MLFT). Experiments were carried out to validate the prediction of the hydrodynamic model for a specific chemical system (absorption of tetrachloroethylene in di-ethyl-hexyl adipate). Therefore, two microstructured plates have been investigated in comparison to an unstructured plate. The plates have been embedded in a miniaturized falling film absorber. A strong influence of the geometry on the mass transfer efficiency is found, especially at low liquid flow rates where dry zones decrease the interfacial specific area which differs from the specific surface of the solid support.     

固液界面效应影响竖壁沟流波动研究

基于最小能量原理分析的竖壁沟流流动模型,认为当壁面为存在接触角滞后的非理想表面时,其控制方程的边界条件与滞后接触角有关,并分析了流量存在波动时沟流厚度的波动原因和范围.实验研究了一些液体在不同表面上的沟流流动,结果表明了沟流波动与界面效应有关的假设的合理性,沟流的实际厚度介于由滞后角限定的某一范围内,并且与沟流平均流量有关.若流率波动未超出由滞后接触角及沟流基础流量限定的范围时,沟流只在厚度方向发生波动;若流率波动超出这一范围,则沟流在宽度方向也开始伸缩.     

管外降膜湿润能力的实验研究

在不同进液流量、进液高度、进液孔径、管径和倾斜角下,用图像法测量了光滑圆管外壁液膜湿润长度,研究了各参数对液膜湿润能力的影响. 结果表明,随进液流量增大,液膜湿润能力先增大后稳定在一个固定值. 研究进液高度对湿润能力的影响时需考虑液膜的流型,流型为柱状流时,液膜进液高度对液膜湿润能力的影响较小;流型为柱状?片状流时,随进液高度增大,液膜湿润能力先减小后不变;流型为片状流时,液膜湿润能力达到饱和. 研究进液孔径对湿润能力的影响时需考虑液膜的流型,流型为柱状流时,液膜湿润能力随进液孔径增大先增大后减小,变化幅度较小;流型为柱状?片状流和片状流时,液膜湿润能力随进液孔径增大而减小. 一定流量下,管径越大,液膜湿润表面积越大,湿润能力越差. 受倾斜角度的影响,液膜湿润长度不再沿进液柱对称分布,湿润能力出现下强上弱的分布规律.