Marangoni对流的纹影实验分析

通过纹影系统对乙醇溶液解吸CO2的过程进行了实验研究,液层自由界面的俯视纹影图记录了对流结构的演化过程,并捕捉到了Marangoni对流结构的初始形态。相应的胞型结构因发展空间的限制,由初始的近圆形逐渐变成了多边形结构。利用纹影图片的灰度分布信息,对单个胞型结构的出现、发展及分裂阶段进行了定性分析,发现界面非均匀传质所引发的界面对流在其胞型发展的过程中将会导致界面的变形。湍动的后期,液层表面将布满多边形结构,且胞型结构基本保持不变。相应纹影图片的颜色差异随解吸的进行逐渐减小,即随着传质推动力的减小,湍动强度也将减弱。     

有机物水溶液解吸的界面湍动现象的观察与分析

通过纹影光路,捕捉到低表面张力溶质从水中解吸导致的气液界面失稳过程及后续的对流结构图像.乙醇、异丙醇和丙酮水溶液中的现象相似:传质开始进行时,界面出现一个迅速变大的湍动区,湍动区扩张的同时,其边缘区域产生很多圆形的小胞,这些小胞逐渐演化成多边形,短暂的界面失稳过程之后,界面对流结构逐步发展为环形;但在乙酸乙酯体系中,界面对流结构一直都是团状的,而且湍动强度更为剧烈.结果表明,界面对流结构特点和剧烈程度取决于实验条件和体系的物理性质.     

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。     

气液界面对流传质的观测与定量分析

采用光学纹影系统对乙醇和水双组分解吸传质过程的对流结构的界面湍动进行了定性观察和定量分析。建立了一套水平非稳态气液传质设备,试验观测了乙醇和水体系中液相组分向气相传质过程的Marangoni界面对流结构。还通过对传统纹影方法的改进,对乙醇解吸传质过程的浓度(本文用质量分数表示)梯度场进行了定量测量。定量分析表明乙醇和水系统解吸过程中,引发界面湍动的原因是局部较大的表面张力梯度。定量分析的结果很好的解释了伴随Marangoni效应的传质过程的混乱的对流结构,为进一步对界面湍动现象的分析提供了帮助。     

双组分扩散过程界面湍动现象观察

利用激光纹影仪对静止、水平流动以及降膜流动的乙醇水溶液双组分扩散过程中传质导致的界面对流结构进行了观察,同时考察了温度、液层厚度、流体运动状态等因素对界面对流结构的影响.研究结果有助于寻求增进传质的有效途径,并且为传质界面湍动现象的理论分析提供实验依据.     

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。     

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。     

双光路纹影仪观察气液传质界面湍动现象

建立了双光路纹影仪实验系统,并利用双光路纹影仪,同时从垂直和平行于界面两个方向对氯苯吸收、解吸CO₂的传质对流结构进行了观察,发现在氯苯吸收CO₂时,没有明显的对流结构,只是在垂直界面的纹影图像中观察到逐渐变粗的暗条纹。在氯苯解吸CO₂时,在垂直和平行于界面两个方向都观察到了明显的对流结构,在垂直界面的纹影图像中开始时出现分层现象,随着解吸的进行,对流加剧,分层现象被破坏;平行界面方向的对流结构发展较快,优先在平行界面的纹影图像中观察到明显的对流结构。由于传质的热效应,两个方向的对流结构都有向中心运动的趋势。实验表明,双光路纹影仪实验系统能观察界面传质对流过程的三维变化,可深化对界面传质对流过程的认识。     

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。     

单组分扩散过程中界面湍动对流结构的观察

利用激光纹影仪从垂直和平行于界面两个方向对静止和流动乙醇吸收、解吸C02的传质对流结构进行了观察，发现在液相主体中明显存在传质导致的液体对流现象，同时发现对流结构在液相流动方向取向具有优先性。研究界面对流对增大传质速率，探索微观传质机理和寻求强化传质途径具有理论和实际意义。     

竖直流动皂膜中解吸导致的Marangoni对流观察

In gas-liquid mass transfer processes,Marangoni convection may occur due to the surface tension gradient produced by mass transfer near the interface.With a falling soap film tunnel and the Schlieren optical method,the Marangoni convection patterns along the film surface were observed directly in the desorption process of acetone from the falling soap film.The Schlieren images showed the regular roll convection in the thin falling soap film during the acetone desorption.The hydraulic characteristics were determined experimentally by measuring the variation of acetone concentration in the film and the surface tension of the soap liquid.The results show that the acetone concentration gradient vertical to the falling direction is very small because the thickness of the soap film is in the order of 10^-6 m.The variation of acetone concentration along the falling film is large,so there is a significant surface tension gradient,resulting in the Marangoni roll convection.The experimental results and a qualitative analysis may be helpful to understand the mechanism of Marangoni convection near the interface in the mass transfer.     

皂膜解吸Marangoni对流观察及分析

利用竖直流动皂膜装置,使用纹影光学方法观察了由于丙酮从皂液中解吸,在微米级厚度皂膜上出现的滚筒状Marangoni对流结构;通过建立皂膜传质数学模型及求解,分析了丙酮从皂膜解吸过程中浓度及表面张力的变化。结果表明:由于微米级的皂膜厚度,在皂膜平面法向方向皂膜内皂液丙酮浓度变化很小,但浓度梯度较大,对应的表面张力梯度较大,此较大表面张力梯度是丙酮从皂膜解吸过程中出现Marangoni对流的主要成因。     

吸收过程自然对流非稳态数值模拟

传质过程中液相密度变化导致的自然对流,改变了液相流动状态,对传质有着较大的影响。利用纹影仪光学方法,获得了乙醇吸收CO2过程中自然对流的纹影图像;并通过吸收传质流体CFD模型,应用有限元方法对气液吸收过程中出现的自然对流发生过程进行了数值计算,得到了液相自然对流发生时的非稳态流场分布和浓度分布信息。分析结果表明传质过程中当自然对流发生后,促进了液相表面更新,加强了传质效果,在考察相际传质过程时,应充分考虑自然对流对传质速率的影响。     

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。     

Experimental investigation of Marangoni effect in 1-hexanol/water system

In this work, the interfacial phenomena of a single hanging drop have been observed and captured by a Schlieren optical system. The extraction fractions at different hanging times were determined. For the system without surfactant, the Marangoni effect induced by interphase mass transfer of a solute displays regular convection patterns. The addition of surfactants changed the mode of interfacial instability significantly but in different ways: SDS enhanced the mass transfer and Triton X-100 reduced the extraction fraction.     

Transient rise velocity and mass transfer of a single drop with interfacial instabilities—Numerical investigations

Full 3D-simulations of transient interfacial mass transfer accompanied by Marangoni convection at a single spherical droplet in a quiescent liquid were performed in a moving reference coordinate system. The flow and concentration field are solved simultaneously, coupled via the additional Marangoni stress generated by concentration gradients at the interface. Fluid dynamics and mass transfer are investigated in the Marangoni convection dominated toluene/acetone/water system. The numerical results are qualitatively and quantitatively compared with own experimental results. The simulation results reveal that mass transfer is always enhanced—compared to calculations where no Marangoni convection appears—independently from the initial solute concentration. The enhancement factor of mass transfer ranges between 2 and 3.