气液传质过程的Marangoni效应研究

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表面张力梯度导致的表面流体的流动现象通常被称为Marangoni效应。本文旨在研究气液传质系统的Marangoni效应,以及它对传质过程的强化作用。首先采用激光纹影仪对Maranogni效应进行了定性的观测研究。在气液传质过程中发生了Marangoni对流现象,其中Marangoni对流结构包括典型的多边形结构以及无序混乱的界面流动现象,局部表面张力梯度是产生Marangoni对流的主要原因。文章从Maranong不稳定性的角度对光学实验结果进行了解释,Marangoni数(Ma)作为衡量界面对流稳定性的参数。其次,定量研究了降膜流动过程中Maranogni效应。采用激光多普勒系统对液相流场的瞬时动力学特征进行了测量,以及测量了液相传质系数。实验结果说明在液膜流动中存在规律性的速度扰动,界面的小尺度流动加速了表面更新率,所以Marangoni效应的存在可以提高传质速率。测量了气液逆流降膜流动的液相传质系数,实验结果和渗透理论的计算结果进行了比较。当Marangoni数大于临界值的以后,实验测量的液相传质系数kL能够提高3倍以上。文章分析了Marangoni对流强度对液相传质系数的影响,采用实验关联式描述Maranogni效应对传质过程的影响。采用Marangoni数对传质关联式进行修正明显减小了实验数据和理论预测之间的偏差。第三,使用线性稳定性理论分析了传质过程中引发Marangoni对流的临界条件。应用稳定性理论证明了系统中Marangini对流的发生,以及系统稳定性和Sc、Bi数之间的关系。最后,采用CFD方法对伴有Marangoni效应的传质过程的流场和浓度场进行了模拟研究。使用了基于有限元理论的流体体积法(the Volume of Fluid,简称VOF)进行追踪气液自由表面。采用连续表面力模型(the Continuum Surface Force,简称CSF)用于描述气液界面的动力学边界条件。模拟结果说明传质过程中的小尺度Marangoni旋涡结构强化了传质过程,在模拟研究和实验数据的基础上对Marangoni对流对传质的影响进行了对比分析。
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