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。     

流动液膜的数值模拟研究综述

液膜流动现象广泛存在于自然界中,作为一种高效传热传质技术,其在化工等领域有着广泛的应用。近几年来,国内外学者越来越热衷于运用数值模拟技术来研究液膜的流动特性及传热传质特性。本文归纳分析了数值模拟研究中液膜自由液面的追踪方法。总结了不同壁面结构、不同壁面倾角、液体物性、液相流量与气相流速4个方面对液膜的流动特性的影响规律,以及改变壁面倾角、入口雷诺数、入口添加扰动时表面波呈现的波动特性。此外,还论述了流动液膜的传热传质特性的研究现状。所得结论对流动液膜的数值模拟研究具有一定的参考价值,最后提出了用数值模拟方法研究液膜流动的缺陷与不足,展望了更加科学合理地研究流动液膜的方法。     

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。     

液滴滴浸微通道入口段的动力学特性分析

采用流体体积(Volume of Fluid, VOF)函数捕捉气液相界面,研究液滴滴浸微通道入口段的运动,通过改变微通道入口段的截面宽度、润湿特性及液滴雷诺数(Re)和韦伯数(We)研究滴浸过程的动力学特性。结果表明,微通道入口段的截面宽度对液滴浸入微通道时的撞击过程影响最明显,随截面宽度减小,液滴撞击通道入口后通过微通道的难度增加,整个过程液滴所受阻力逐渐增大;当微通道截面宽度减至0.2 mm时,壁面润湿性效应凸显,表现为壁面静态接触角越大,液滴滴浸微通道时所受的阻力也越大。表面接触角较大时,为使液体通过微通道入口段,可适当增大液滴的Re,液体在通道内的浸润长度随Re增加成比例增大,当Re增至4000时,通道内开始出现射流现象。We减小,表面张力效应变得明显,通道内的流动阻力变大,液体流过微通道入口段的难度增大。     

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。     

筛孔塔板上气相错流对液相流场影响的实验测量

利用热膜流速仪、测量了矩形塔内光板上液体单相流动以及筛孔板上气液两相流动时的液体流速分布，实验主要考察气液两相错流时，气体鼓泡作用对鼓泡区下游液体流速分布的影响，实验结果表明，单相流动时，受壁面效应的影响，靠近塔壁的液体的速度最低，气液两相错流时，受气体阻力作用的影响，靠近壁面液体的速度反而大于远离壁面处液体的速度，气相流量越大对液相流场的影响作用越强。     

波纹壁面上流动液膜涡的生成特性

针对液膜在非平整壁面上流动过程中生成涡的现象,基于VOF方法,采用FLUENT软件模拟了三维波纹壁面上的液膜流动。研究了波纹结构内涡结构的演化过程,分析入口Reynolds数、波纹结构、壁面倾角、流体黏度和表面张力对波纹结构内涡结构的影响。结果表明：随着时间的演化,涡的大小和形状不断变化,最终达到稳定。且涡结构变化对自由液面的波动影响显著。较低Re和波形度时,波纹结构内不易形成涡,随着Re和波形度增大,产生涡且涡呈增大趋势,涡的形态也随之改变,自由液面位置升高,其相位滞后于波纹壁面。当壁面倾角改变时,波纹结构内的涡特性变化较大,液膜厚度略有增加,而自由液面相位不明显。表面张力对涡结构有显著影响,液膜流动过程中不容忽视。流体黏性改变时,波纹结构内涡的大小和形状无明显的变化。黏度变小和忽略表面张力时,液膜厚度均变薄。以上结果为工业设备生产、运行和设计提供了一定参考依据。     

波纹壁面上流动液膜涡的生成特性

针对液膜在非平整壁面上流动过程中生成涡的现象,基于VOF方法,采用FLUENT软件模拟了三维波纹壁面上的液膜流动。研究了波纹结构内涡结构的演化过程,分析入口Reynolds数、波纹结构、壁面倾角、流体黏度和表面张力对波纹结构内涡结构的影响。结果表明:随着时间的演化,涡的大小和形状不断变化,最终达到稳定。且涡结构变化对自由液面的波动影响显著。较低Re和波形度时,波纹结构内不易形成涡,随着Re和波形度增大,产生涡且涡呈增大趋势,涡的形态也随之改变,自由液面位置升高,其相位滞后于波纹壁面。当壁面倾角改变时,波纹结构内的涡特性变化较大,液膜厚度略有增加,而自由液面相位不明显。表面张力对涡结构有显著影响,液膜流动过程中不容忽视。流体黏性改变时,波纹结构内涡的大小和形状无明显的变化。黏度变小和忽略表面张力时,液膜厚度均变薄。以上结果为工业设备生产、运行和设计提供了一定参考依据。     

旋转盘反应器流场特性的PIV测试和CFD模拟

通过PIV实验和CFD数值模拟研究了旋转盘表面的流动特性和变化规律。基于VOF多相流模型和Realizablek-ε湍流模型,CFD模拟结果与实验结果形成对比,考察了不同转速和流量条件下旋转盘表面的液膜厚度分布、停留时间和分布情况。结果表明:盘的中心区域受流速控制,流动方向更接近径向流动,边缘区域受转速控制,流动方向更接近圆周流动。液膜厚度随径向半径的增大先增大后减小,转速的增加导致边缘区膜厚减小。流速的增加导致中心区域的膜厚度减小和边缘区域的膜厚度增加。平均停留时间随转速和流速的增加而降低。停留时间分布表明,在实验条件下,液体流动更接近活塞流动。     

管柱式气液旋流分离器液膜厚度的空间分布特性

管柱式气液旋流分离器(GLCC)是一种耦合离心力与重力的分离设备,其上部筒体内旋流液膜的分布特征显著影响其分离性能。液膜厚度作为该旋流液膜的关键参数,掌握其分布规律可为理解液膜的流动机制奠定基础。利用纽扣式电导传感器测量了GLCC上部筒体内的液膜厚度,通过改变入口气液相流量、入口喷嘴尺寸,系统地研究了其空间分布特性。结果表明,操作参数一定时,液膜厚度沿轴向向上趋于减小;在某一轴向位置,液膜厚度随入口气量的增大呈现"S"形分布,随入口液量的增大而近线性增大;此外,入口喷嘴尺寸对液膜厚度的分布影响显著:在不同的轴向位置,不同尺寸喷嘴对应的液膜厚度间的大小存在差异。液膜厚度随气液量的变化规律证明液膜逃逸是GLCC液相分离效率降低的直接原因,而喷嘴尺寸对液膜厚度沿轴向分布的影响则反映了GLCC旋流效应与重力效应间的相互作用。     

Characterization of the liquid film flow in a centrifugal separator

This work presents the characterization of the flow in a centrifugal separator. The study is focused on the behavior of the liquid phase in this kind of equipment, so that only single‐phase liquid flow at the inlet of the separator is considered. The parameters investigated are the film thickness, the flow velocity components, the flow streamlines angles and the liquid level height above the inlet. These quantities were assessed for different flow rates using numerical simulations and experimental measurements. Results show that an increase on the inlet flow rate causes an increase on the liquid film thickness and the liquid level height. Also, the centrifugal movement is intensified when the flow rate increases. The numerical results proved to describe the overall flow behavior satisfactorily when compared to the experiments. From the outcomes of this study, information can be extracted to understand the separation process in this type of separator. © 2016 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 62: 2213–2226, 2016     

不同规整填料旋转床的传质性能对比

采用Na₂CO₃-H₂S为体系,利用规整丝网填料和新型塑料填料的错流旋转床为吸收设备,探究了两种填料床的传质性能,通过理论推导气液传质系数K_y和K_ya的表达式,考察了液量、气液比、超重力因子对脱硫率、K_y和K_ya的影响。实验结果表明:在相同条件下,规整丝网填料床的脱硫率略高于新型塑料填料床,约为3%～4%,但K_y、K_ya和压降分别是新型塑料填料床的0.25～0.5、0.8～0.9和0.3～0.5倍。通过文献对比分析,在相近工况条件下,新型塑料填料床的K_ya比散装丝网填料床提高了1.45倍。并对实验数据进行回归,拟合出K_y、K_ya与气相雷诺数Re_G、液相韦伯数We_L和伽利略数Ga之间的关联式。     

盐浴螺旋盘管式焦炉上升管余热回收装置传热性能试验

对盐浴螺旋盘管式结构的焦炉上升管高温荒煤气余热回收装置进行了以烟气代替荒煤气的传热性能模拟试验,得到了上升管余热回收装置螺旋盘管环形套筒的外壁温度分布、上升管内烟气侧的传热系数、环形套筒内螺旋盘管外盐浴的自然对流传热系数等试验研究结果。结果表明,装置螺旋盘管环形套筒的外壁温度分布并非均匀,随上升管内烟气温度的升高而波动增大;烟气侧对流传热系数在Re数高于2900后随Re数的增大而明显上升;螺旋盘管外盐浴的自然对流传热系数随熔盐温度的升高几乎不变。根据试验结果拟合出环形套筒内螺旋盘管外盐浴的自然对流传热关联式,为实际的工程应用提供参考。     

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。     

Computational Fluid Dynamics Modeling of Gas‐Liquid Two‐Phase Flow around a Spherical Particle

Microscale studies, which can provide basic information for meso‐ and macroscale studies, are essential for the realization of flow characteristics of a packed bed. In the present study, the effects of gas velocity, liquid velocity, liquid‐solid contact angle, and liquid viscosity on the flow behavior were parametrically investigated for gas‐liquid two‐phase flow around a spherical particle, using computational fluid dynamics (CFD) methodology in combination with the volume‐of‐fluid (VOF) model. The VOF model was first validated and proved to be in good agreement with the experimental data. The simulation results show that the film thickness decreases with increasing gas velocity. This trend is more obvious with increasing operating pressure. With increasing liquid velocity, the film thickness tends to be uniform on the particle surface. The flow regime can change from film flow to transition flow to bubble flow with increasing contact angle. In addition, only at relatively high values does the liquid viscosity affect the residence time of the liquid on the particle surface.     

降液膜波动的影响因素分析

建立了溴化锂溶液沿平板降膜的流动模型。利用VOF方法捕捉降液膜的自由流动表面,利用CSF模型考虑表面张力对降液膜流动的作用,研究了入口扰动频率、降膜Re和平板倾斜角对降膜波动演化过程的影响。模拟结果表明,入口处的低频率扰动发展为孤波,随着频率的增加,波长减小,孤波与孤波通过他们之间的波后、衬底和毛细波相互影响,而高频率扰动演变成毛细波。随着Re的增加,波幅和波长增加,同时波峰处的循环流动强度增加。随着倾斜角的增加,重力沿流动方向的分力增加,波发展速度增加。同时分析了波内的速度场和壁面切应力等动力学特性。     

规整填料表面液膜流动特性的数值模拟

精馏过程气液两相流运动分布特征对分离效率具有重要影响。为研究规整填料表面液膜流体动力学特性建立了基于VOF方法的CFD分析模型,并基于文献试验结果进行了验证。对液膜随时间和空间的演化分布特征、速度场分布和液相流量影响进行了模拟分析。液膜在波纹顶部下沿聚集形成凸起状波峰,在波纹底部波峰消失,而到达下节波纹上沿时,波峰重新形成;瞬态液膜厚度随时间波动,且沿填料表面液膜平均厚度先减小后保持稳定;发现液相聚集及形成液滴坠落容易导致出现干板区。不同位置液膜速度分布存在明显差异,沿填料表面液膜平均速度先增后减或保持稳定;液膜绕过波纹顶部时会加速,在波纹底部和上沿处会减速。液相流量增大,液膜平均厚度和速度均有所增大。