CO2-乙醇体系中界面对流的混合格子Boltzmann方法三维模拟及实验验证（英文）

By using a hybrid lattice-Boltzmann–finite-difference method (hybrid LBM–FDM method), three-dimensional simulations of solutal interfacial convection were conducted for the process of CO2 absorption into ethanol. A self-renewal interface model is adopted as an interfacial perturbation model. The simulation results revealed some three-dimensional features of the induced interfacial convection, such as the development of diverging cellular flow and Rayleigh plume-like convection in liquid phase. The concentration distribution of the simulation result is validated and found to be in wel agreement with the Schlieren visualization results qualitatively. Addi-tionally, the mass transfer enhancements by interfacial convection were investigated via both simulation and experiment for the absorption process, and the mass transfer is shown to be enhanced by the interfacial convec-tion by about two-fold comparing with that by diffusion.     

水溶解CO_2过程界面对流现象的PIV/LIF测量及传质系数预测

建立了用于观测水溶解CO_2过程界面Rayleigh对流现象的粒子成像测速(PIV)和激光诱导荧光(LIF)技术联用方法,同时获得了该对流传质过程的液相速度场及浓度分布,定量观测了Rayleigh对流的发展过程。经界面对流发生条件下传质过程的分析,指出Rayleigh对流过程的涡量是影响传质过程的主要因素,给出了传质系数随涡量的变化关系和相应的关联式,进而为通过液相速度场的测量预测Rayleigh对流条件下的液相传质系数提供了一种有效的方法。     

激光诱导荧光技术测量规整填料内的液体分布

介绍了利用激光诱导荧光技术(LIF)测量规整填料内的液体分布的实验方法,实现了液体分布的可视化,得到了液膜厚度和持液量等定量信息。利用LIF技术分别测量了3种物系在750Y型规整填料的实验装置内的液体分布。结果表明,表面张力和黏度都对填料表面上的液体分布有影响,但表面张力对液膜厚度和持液量的影响较大,是主要影响因素。     

旋流强化中空纤维膜组件结构优化及壳程流动研究

提出并优化了一种旋转流强化的膜组件水力学模型。Box-Behnken方法用于进口直径、进口长度、膜壳高度、进/出口端管长度、球突结构直径,进出口倾斜角度的多参数的实验设计,获得了响应变量最优的膜组件设计方案。通过雷诺应力RSM湍流模型与基于Euler-Lagrange算法的离散相DPM模型的耦合计算,模拟研究了三维模型内液固两相流的颗粒停留时间分布、流体力学特征。模拟结果显示,旋流强化的膜组件壳程的速度分布更加均匀,膜面剪切应力高;湍流耗散率、涡量分布不同于传统膜组件。实验结果证实,优化后的膜组件具有高产水量、低压力降,膜污染速率低的特点。     

规整填料内液体分布的实验研究进展

测量规整填料内液体分布的实验方法有接液法、电导示踪法、光纤传感技术、断层成像技术和激光诱导荧光技术等。这些实验方法比较有效,但也存在一些不足。本文介绍了各种实验方法的原理、实现方式及不足之处,重点阐述了断层成像技术和激光诱导荧光技术。两种技术均实现了填料内液体分布的可视化,获得了持液量,但都存在如何有效去除背景噪声的问题。激光诱导荧光技术与断层成像技术相比,具有新型、可靠、易于实现和安全等优点。最后,探讨了激光诱导荧光技术在未来应用中的新方向,包括与粒子成像测速仪联用、与高速相机联用、对实验结果的再提取及实验填料的加工。     

界面传质中Rayleigh对流的格子Boltzmann模拟和实验验证(英文)

Concentration gradient induced Rayleigh convection can influence effectively interfacial mass transfer processes, but the convection phenomena are known as mesoscopic and complex. In order to investigate this phe-nomenon, a two-equation Lattice Boltzmann Method (LBM) is proposed to simulate the velocity and the concentra-tion distributions of Rayleigh convection generated in the CO2 absorption into ethanol liquid. The simulated results on velocity distributions are experimentally verified by PIV (particle image velocimetry technique) measurements. In order to simplify the analysis, the convection in the simulation as well as in the experiment, the Rayleigh convec-tion was manipulated into a single down flow pattern. The simulated results show that the concentration contours agree qualitatively with the schlieren images in the literature. The experimental and simulated results show that the Rayleigh convection under investigation is dominated by the flow in the downward direction and impels exchange of the liquid between the interfacial vicinity and the liquid bulk promoting the renewal of interfacial liquid, and hence enhances mass transfer. The comparison between the simulated and experimental results demonstrated that the proposed LBM is a promising alternative for simulating mass transfer induced Rayleigh convection.     

蒸汽在过冷液体喷雾上直接接触相变换热过程实验研究

以水为工质,通过实验研究了饱和水蒸汽与过冷水喷雾逆流直接接触冷凝换热过程,考察了不同入口液相温度下液膜厚度及破碎长度变化、液膜轴向及径向的温度分布;基于实验数据计算出了液膜局部传热系数及总传热系数。实验研究的结果表明,直接接触冷凝换热过程中,低入口液相温度时的液膜厚度和破碎长度更大;液膜在径向方向上存在温度梯度变化,液膜表面的温度较高,中心存在1个最低温度;随着液膜运动轴向距离的增大,液膜温度逐渐升高,喷嘴出口处液膜的温升最快,在整个喷雾的冷凝换热过程中,液膜温升占喷雾换热总温升的80%～85%,因此相比液滴,液膜起主要换热作用;喷嘴出口处的局部传热系数最大,并随着轴向距离增大逐渐减小。实验得到总传热系数的值远大于传统的膜状冷凝传热系数,体现了蒸汽-过冷液体喷雾这类直接接触换热方式的优势。     

受限空间内浮升气泡与液体间传质行为实验研究

采用紫外诱导荧光(UIF)实验方法,研究Hele-Shaw狭缝受限尺度对受限空间内浮升气泡流体力学与气液传质行为的影响。实验中以二苯并[b,e]吡啶作为荧光剂实现了受限空间内CO₂溶液浓度分布及其气泡运动速度的定量测量,获得了CO₂在受限空间内运动过程中的传质量和气泡动力学参数,并分别计算气泡受限空间内液膜区和自由接触区的传质速率。分析得到受限空间中不同狭缝宽度内CO₂的传质行为,分析了受限尺度对CO₂-水体系传质过程的影响。     

采用格子Boltzmann方法模拟解吸过程中的Rayleigh对流

应用二维非稳态格子Boltzmann方法研究了异丙醇-水溶液和丙酮-乙酸乙酯溶液解吸过程中Rayleigh对流的临界开始时间、流动特征及其对界面传质的影响,并与相关文献对比. 结果表明,临界开始时间随界面浓度增加呈先缓慢增大再迅速增大最后趋于稳定的变化趋势. Rayleigh对流结构经历了从有序到无序的发展过程,是不断更新的耗散结构. Rayleigh对流主要作用于液相主体,使液相主体具有较大的湍动速度(10-4~10-3 m/s). 液相主体中存在许多循环流动,促进了界面更新及界面与液相主体之间液体的交换与混合. 传质增强因子(介于2~6之间)表明Rayleigh对流能有效提高解吸过程传质速率,强化界面传质过程.     

CO2在纳米流体解吸过程中的微对流现象

建立了一套水平气液界面传质模拟装置,利用粒子成像测速仪（PIV）对CO2从乙醇和乙醇纳米流体中解吸过程液相流场进行了观测和分析。传质发生时,在近界面处均观察到了由Marangoni效应造成的湍动。通过对平均速度的分析,发现在乙醇纳米流体中发生的湍动强度和湍动范围较乙醇溶液中大。纳米流体中的Marangoni效应加剧了纳米粒子的布朗运动,引发了纳米流体中的微对流,从而将界面处的湍动传递至液相主体中,导致液相主体的漩涡增多、流体混合加剧,促进了气液传质。