界面传质中Rayleigh对流的定量分析

通过纹影光路观察了特定气液传质装置中乙醇吸收CO₂过程所引发的Rayleigh对流在垂直界面方向上的发展过程。随着溶质吸收的进行,液层的流体稳定性变弱,扰动加剧气液界面失稳并发生湍动,进而发展为羽状流并逐步向液相主体发展,在此过程中伴随着对流胞的融合与增长。液层的浓度分布可通过对相应液层纹影图像进行定量分析获得。液层浓度分布和瞬时传质系数变化表征了Rayleigh对流的引发与发展及其对传质过程的强化效果,界面浓度分布及临界Rayleigh数解释了非均匀传质对湍动的引发机理。羽状流将高浓度液体快速带入主体,加速了近界面液层与主体液层的混合,增强了气液传质。     

Rayleigh对流及其对界面传质影响模拟的格子Boltzmann方法

针对乙醇吸收CO₂过程中,由CO₂通过界面向液体乙醇传递所导致的Rayleigh对流现象的模拟,建立了二维格子Boltzmann方法（LBM）。采用浓度分布函数和流体质点密度函数的双分布模型格子Boltzmann方法,同时引入由浓度差导致的重度差作为外加力,实现了流体中浓度场与速度场的模拟。应用所建立的LBM方法,对界面具有多个离散CO₂扩散源的二维区域液相Rayleigh对流现象进行了模拟,结果显示,模拟得到的浓度分布结构与文献中实验结果相一致。通过考察Rayleigh对流和浓度分布结构,分析了Rayleigh对流存在条件下的传递规律。通过采用LBM方法对浓度场模拟可以定量给出液相界面瞬时传质通量。计算结果表明,瞬时传质通量随时间的增长先增加后减小,这种变化与相似文献   

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.     

伴有Rayleigh对流的气液传质理论

浓度梯度导致的Rayleigh对流会对界面传质产生重要影响。采用格子Boltzmann方法(LBM)对吸收过程伴有Rayleigh对流的气液传质理论进行了分析。针对表面更新理论,提出了将近界面处羽状对流结构的宽度作为特征尺度来求得表面更新时间。结果表明,Rayleigh对流的发生能够有效减小双膜理论中的液膜厚度;液相传质系数的LBM模拟值与表面更新理论预测值吻合较好。     

气液传质过程中Marangoni对流的观测与定量分析

建立了一套气液传质装置和一套纹影系统对乙醇解吸CO₂过程中产生的Marangoni对流结构进行垂直界面方向上的观察,发现解吸过程中近界面处出现均匀分布的旋涡状的对流结构,并随时间聚合发展变大。此外还利用定量纹影法考察了传质过程中的浓度分布和界面张力梯度等信息。定量的结果表明较大的界面张力梯度位于对流胞型的边缘和中心处,驱动着界面流体的运动,并耦合浮力效应,形成了近界面环流的运动形式。这种环流运动造成了对流胞型边缘浓度较大、内部浓度小的分布,促进了相界面流体微元的更新,加强了传质过程。     

界面Rayleigh对流现象模拟的格子Boltzmann方法

采用格子Boltzmann方法中带有双分布函数的LBGK模型,在介观尺度上实现了对气液传质过程中界面对流现象的模拟,比较了不同Sc数、Ra数以及有局部浓度扰动的界面溶质扩散,对发生界面Rayleigh对流的临界条件进行了研究,发现临界Ra数在1.0×104—2.0×104之间。模拟结果和已有实验现象一致,证明双分布的LBGK模型适用于界面对流及扩散现象的模拟。     

气液传质液滴界面的Marangoni对流

通过氮气吹扫双组分液滴,用激光投影法定性观察由于轻组分向气相扩散导致的Marangoni对流结构,结果表明Marangoni对流以小尺度涡流结构和大尺度对称循环流动的形式出现,其中乙醇-水体系首先出现小尺度涡流结构,涡流不断长大合并;丙酮-水体系则以大尺度对称循环对流结构为主,随后在近界面处形成小尺度涡流结构。采用氮气吹扫乙醇-水及丙酮-水静止悬垂单液滴的方法,通过比较实验测量传质系数与理论预测值,表明液滴近界面处Marangoni对流小尺度涡结构对传质促进作用较小,而液滴内大尺度循环对流结构对传质促进作用大。     

界面性质对气液传质的影响

界面性质对气液传质有重要影响。分子通过界面时需克服界面自由能，界面两侧的浓度不一致。本文导出了两者之间的关系     

气液界面传质机理

提出了气液相际传质的推动力来源于界面不平衡的概念.针对气体吸收过程, 以普遍化的化学势推动力方程为基础, 导出了在有传质通量存在下的两相界面处的浓度关系,并针对不同情况进行了求解.提出了一个反映液相侧动力学状况的量纲1数Yo ,Yo越大界面处两相越偏离平衡.界面浓度是与Yo和液相主体浓度密切相关的.为验证本文模型, 作者采用显微激光全息干涉技术对甲醇、乙醇、正丙醇静止吸收CO₂时的界面浓度进行了测定, 实验结果表明了本文模型的正确性.     

吸收过程的界面传质机理

Based on the method of molecular thermodynamics ,the mass transfer mechanism at gas-liquid interface is studied theoretically,and a nowe mathematical model is proposed,Using laser holographic interference technique,the hydrodynamics and mass transfer characteristics of CO2 absorption are measured,It is shown that the calculated results are in good agreement with the experimental data.     

吸收过程的界面传质机理

以分子热力学为基础 ,对气体吸收过程进行了理论分析 ,导出了传质通量的数学表达式。根据该文分析 ,气液界面传质的源动力来自界面处气液两相的不平衡 ,即只要有传质发生 ,液相界面处的浓度就不会达到与气相呈平衡的浓度。对于气相阻力可以忽略的吸收过程 ,两相传质速率的大小主要取决于液相的溶质界面浓度和液膜厚度 ,影响溶质界面浓度和液膜厚度的主要因素是近界面液相侧的流场分布。利用近界面浓度与液膜厚度的激光测定结果 ,计算了甲醇、乙醇及正丙醇吸收CO2 气泡的传质通量 ,计算结果与实验值吻合良好     

界面湍动对气液传质的影响

气液传质过程中经常伴有界面湍动。界面湍动由传质的不均匀性引起,反过来又极大地促进传质。介绍了界面湍动的产生机理和形成条件,对4种不同Ra和Ma准数的情况分别进行了分析。讨论了界面湍动强度对气液传质系数的影响关系。传质系数与Man成正比,其中n随着Marangoni对流胞类型的不同而在1/3和1之间变化。在气液系统中,液相与气相阻力比越大,由界面湍动引起的传质的增强效应越显著。     

吸收过程Rayleigh对流非稳态数值模拟

通过应用有限元方法,对气液吸收过程中出现的Rayleigh对流发生过程进行了数值模拟计算,得到了液相Rayleigh对流发生时的流场分布和浓度分布定量信息;利用激光纹影仪光学方法,获得了乙醇吸收CO2过程中Rayleigh对流的纹影图像,通过比较模拟计算结果和实验纹影图像,证实模拟计算结果的正确;在模拟计算和实验结果的基础上,对传质过程中Rayleigh对流对传质过程的影响进行了定性和定量的分析,揭示了界面传质导致的Rayleigh对流产生发展过程及对传质的影响.     

气液界面Marangoni效应对传质系数的影响

在气液相际传质过程中,界面Marangoni湍动会对传质过程产生重要的影响,为此,建立了一套气液接触传质设备,以使得通过N2与异丙醇稀溶液逆流接触将液体中使表面张力降低的溶质解吸出来,从而引发Marangoni湍动,提高传质速率。发生Marangoni对流时,液相的传质系数比只依靠扩散传质而不考虑Marangoni效应时大,因此引出增强因子F这一概念,通过计算F的值即可判断Marangoni效应对传质速率影响的程度。提出了一个包括Marangoni准数的计算传质系数关联式,其计算结果与实验结果相符．     

伴有Rayleigh对流的气液吸收过程数值模拟

Flow and concentration fields of liquid phase in a gas-liquid contacting system are simulated to show the Rayleigh convection by utilizing the finite-element method. The Schlieren images in C02-ethanol system provided direct visual verification of the present simulation, and the simulated results were well consistent with the experimental observation. The influence of the Rayleigh convection on mass transfer is analyzed qualitatively and quantitatively based on the simulated and the experimental results.     

吸收过程的界面非平衡传质机理

针对气体吸收过程,以分子热力学为基础,结合普遍化的化学势推动力通量方程,导出了传质存在时两相界面处的浓度关系,并针对不同情况进行了求解.提出了一个反映液相侧动力学状况的无因次数群Biot数Yo,Yo数越大界面处两相越偏离平衡.界面浓度是与Yo和液相主体浓度密切相关的.对于气相阻力可以忽略的吸收过程,两相传质速率的大小主要取决于液相的溶质界面浓度和液膜厚度.采用激光显微全息干涉技术对甲醇,乙醇,正丙醇静止吸收CO2时的界面浓度进行了测定,试验结果表明了本研究模型的正确性.     

单泡吸收过程的界面传质机理

This paper focuses on the mechanism of interfacial mass transfer of a single bubble, based on the chemical potential driving force, an approach for calculating interfacial concentration in practical process is proposed. The absorption processes of bubble under both quiescent and mobile conditions are analyzed and discussed respectively. For a stationary absorption, only in the case of liquid bulk concentration near saturated value, the interfacial concentration could close to the equilibrium value ; For a moving bubble, under ordinary operating condition （Yo〉l）, the interfacial concentration is far from its equilibrium. Only under bulk concentration near saturated value or a smaller Yo（Yo〈0.1） which may involve the complication of additional resistance at interface induced by surface contamination or surfactant added, the interfacial concentration could be approximate to equilibrium value. The interfacial concentration close to the interface on liquid side for a single CO2 bubble absorbed by methanol is measured using a modern optical instrumentation in which the laser holographic interference method is adopted with a real-time and amplification technique. Experimental results show that the interfacial concentration decreases significantly with increasing Re and is far from the equilibrium one in a larger Re range. Experiments validate the proposed model.     

气液传质过程的界面湍动

界面湍动对相际传质具有重要影响。利用显微激光全息干涉技术研究了 CO2 在乙醇 -水溶液中吸收过程的界面湍动情况 ,实验观察了界面湍动强度与溶液浓度的关系 ,结果表明 ,乙醇浓度越高 ,界面湍动强度越大 ,文中对此进行了分析和讨论。     

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.     

非牛顿流体薄膜流中传质和传热的理论研究

本文从分析服从幂律的非牛顿流体薄膜流中速度分布入手,将其与扩散（导热）微分方程相结合,对不同的气液接触时间或距离进行了理论计算。 本文对方程给出了当流体的流变指数n取任意正有理数值时无穷级数解的求法。在此基础上,我们利用四阶Runge-Kutta法与Wegstien迭代法,求出了流变指数n为1/4,1/3,1/2,1/1.4,1/1.2,1,1.25,2.5,∞等一系列局部Sh数值与平均数值;当n=1即变为牛顿型流体时,与文献的结果十分吻合。