（化学工程专业论文）规整填料局部流动与传质的计算流体力学研究.pdf

天津大学博士学位论文 摘要 为精确描述规整填料塔气液传质过程中涉及的多尺度流动与传质现象，进而 准确预测整塔传质效率，本文对规整填料塔气液传质过程的局部微观流动、气液 两相传质机理、宏观气液分布及多尺度关联计算传质学方法进行了初步研究。 建立描述规整填料塔传质过程的多尺度关联计算传质学模型涉及填料表面 局部溪流液膜流动过程。为此，采用v o f 法建立了二维气一液两相分层流动c f d 模型；提出影响液膜流动的两个重要动量源项：表面张力动量源项和界面剪应力 动量源项：根据模拟结果讨论了板面结构、液相物性及气液流速对液膜流动的影 响。在流场模型基础上建立了二维气液两相降膜解吸传质c f d 模型，模拟结果 显示，增强相界面波动( 增强气相流量；采用波纹板面结构) ，能够有效提 高降膜传质增强因子。在二维模型基础上，建立了三维溪流c f d 模型和三维单 片规整填料溪流c f d 模型并进行求解。为验证相关理论，采用三维l d a 技术测 量了溪流液膜的流场和自由表面侧形；实验结果表明，本文提出的模型较现有文 献发表的模型能更好地预测规整填料片表面的液体流动。 通过精确测定m a l l p a k 2 5 0 x y 、3 5 0 x y 四种填料在两片规整填料内的液相分 布和持液量，本文建立了规整填料宏观液相分布的新模型。模型中考虑了壁效应、 结点处液体混合再分配过程以及液体横向扩散过程；模型中用到了针对降膜溪流 流动的部分c f d 研究结果，即利用c f d 模型求算局部溪流宽度，克服了传统经 验关联式计算精度低的缺点；能方便获得规整填料内的局部流动信息。针对规整 填料内气相宏观流动建立了相关的气相拟单相c f d 模型并进行了求解。 在上述研究基础上，初步建立了规整填料塔传质过程的多尺度关联计算传质 学模型，提出了液相分布结点网络模型一气相拟单相流c f d 模型一经典传质理论相 耦合的规整填料塔传质效率计算方法，该方法属于一种由局部小尺度传质过程估 算整体传质效率的多尺度计算传质学方法。利用所建立的耦合模型求得的h e t p 与常减压下的实验值吻合较好。本文所建立的方法不需输入实验数据，只需给定 气、液相物性参数和填料结构参数，即可较为准确地估算填料塔的传质效率，对 大规模填料塔的结构优化设计及整塔操作工艺优化设计提供了一种方法和途径。 关键词： 计算流体力学( c f d ) ；规整填料：两相流：l d a ；降膜解吸；液相流动分布；持 液量；传质；计算传质学： 天津大学博士学位论文 a b s t r a c t b e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h em u l t i - s c a l ef l o wb e h a v i o ra n dm a s s 。t r a n s f e r p h e n o m e n at h a th a p p e n e di ns t r u c t u r e dp a c k i n gc o l u m n si so fg r e a ti m p o r t a n c ef o r p r e d i c t i n gt h e i rm a s s t r a n s f e re f f i c i e n c ym o r ea c c u r a t e l y i nt h i st h e s i s ，t h el i q u i d f i l mf l o wa n dm a s s - t r a n s f e rm e c h a n i s ma ts m a l ls c a l e ，g a sa n dl i q u i dd i s t r i b u t i o n p a t t e r na tl a r g es c a l e ，a n d am u l t i s c a l ea s s o c i a t e dc o m p u t a t i o n a lm a s s - t r a n s f e r m e t h o dh a v e b e e ns t u d i e dp r i m a r i l y t h el o c a lr i v u l e tf i l mf l o wf st h em o s tp o p u l a rb e h a v i o rf o rd i s t i l l a t i o np r o c e s si n s t r u c t u r e dp a c k i n gc o l u m n u s i n gm u l t i s c a l ec o u p l e dc o m p u t a t i o n a lm a s s t r a n s f e r m e t h o dt op r e d i c t i n gt h ec o l u m np e r f o r m a n c en e e d sab e t c e rt m d e r s t a n d i n go ft h i s k i n do ff l o w t h e r e f o r e ，at w o - d i m e n s i o n a lt w o - p h a s ef l o wc f dm o d e lu s i n gt h e v o l u m eo ff l u i d ( v o f ) m e t h o di sp r e s e n t e d t w oi m p o r t a n tm o m e n t u ms o u r c et e r m s w o r k i n go nt h ef i l mf l o w , s u r f a c et e n s i o na n di n t e r f a c es t r e s ss h e a r , a r ec o n s i d e r e d b a s e do nt h es i m u l a t e dr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c e so ft h ep l a t es t r u c t u r e s ，l i q u i dp r o p e r t i e s a n dg a s l i q u i dv e l o c i t yo nt h ef i l mf l o wa r ed i s c u s s e d am a s s - t r a n s f e rc f dm o d e lf o r t h es t r i p p i n gp r o c e s si sa l s op r e s e n t e db a s e do nt h et w o p h a s ef l o wc f dm o d e l t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tm a k i n gt h ei n t e r r a c i a lw a v e sm o r ev i o l e n ti sa t l e f f e c t i v em e a n st oe n h a n c et h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c y t h r e e - d i m e n s i o n a lt w o p h a s e f l o wc f dm o d e l sf o rt h es i n g l er i v u l e tf i l mf l o wa n ds t r u c t u r e dp a c k i n gr i v u l e tf i l m f l o wa r ea l s op r o p o s e db a s e do nt h et w o - d i m e n s i o n a lc f df l o wm o d e l f o rv a l i d a t i n g t h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r i e s ，t h r e e - d i m e n s i o n a ll d a t e c h n i q u ei su s e dt om e a s u r et h e r i v u l e tf i l mf l o w t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ef r e es u r f a c ep r o f i l es h o w st h a tt h e m o d e lp r o p o s e dh e r ec a np r e d i c tt h el i q u i df l o wo ns t r u c t u r e dp a c k i n gs u r f a c em o r e a c u u r a t e l l yc o m p a r i n gw i t ho t h e rl i t e r a t u r em o d e l s an e wm a c r ol i q u i dd i s t r i b u t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d ，w h e r et h ew a l le f f e c t ， l i q u i dm i x i n ga n da l l o c a t i o np r o c e s sa tt h ec r u n o d e sa n dt h el i q u i dt r a n s v e r s e d i s p e r s i o na r e t a k e ni n t oa c c o u n t s o m ep a r a m e t e r so ft h em o d e lw e r er e g r e s s e d u s i n g t h ee x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e di nat w o - s h e e tt e s t i n gr i gf o rs t r u c t u r e dp a c k i n g o fm e l l a p a k2 5 0 x ya n d3 5 0 x y t h ee x p e r i m e n t a ld a t ai n c l u d el i q u i df l o w d i s t r i b u t i o na n dl i q u i dh o l d u pr e s u l t sf o rt h ef o u rt y p e so fp a c k i n g sm e n t i o n e da b o v e t h el o c a lr i v u l e tw i d t h su s e di nt h em o d e la r ec a l c u l a t e db yt h es i n g l er i v u l e tf l o w 天津大学博士学位论文 c f dm o d e l ，w h i c hi m p r o v e st h em o d e lp r e c i s i o ng r e a t l yc o m p a r i n gw i t ht h em o d e l s u s i n ge m p i r i c i s mf o r m u l a e t h el o c a ll i q u i df l o wc h a r a c t e r i s t i c sc a nb eo b t a i n e d c o n v e n i e n t l yb yt h i sl i q u i dd i s t r i b u t i o nm o d e l ap s e u d o s i n g l e - p h a s eg a sf l o wc f d m o d e li se s t a b l i s h e df o rp r e d i c t i n gt h em a c r og a sd i s t r i b u t i o ni ns t r u c t u r e dp a c k i n g ah y b r i da r i t h m e t i cw h i c hc o m b i n e dt h eg a sc f dm o d e l ，t h em a c r o l i q u i d d i s t r i b u t i o nm o d e la n ds o m ec l a s s i c a lm a s s t r a n s f e rt h e o r i e sh a sb e e np r o p o s e df o r p r e d i c t i n gt h em a s s - t r a n s f e re f f i c i e n c yo f s t r u c t u r e dp a c k i n g t h eh y b r i da r i t h m e t i cb y l o c a ls m a l l - s c a l em a s s t r a n s f e r p r o c e s se s t i m a t i n gm a c r o - s c a l em a s s - t r a n s f e r e f f i c i e n c yi sak i n do fm u l t i - s c a l ec o m p u t a t i o n a lm a s s t r a n s f e rm e t h o d t h es i m u l a t e d h e t pa g r e e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a l 月e 7 1 尸v e r yw e l lu n d e rt h ec o n d i t i o n so fn o r m a l a n dv a c u u mp r e s s u r e t h i sh y b r i da r i t h m e t i cn e e d n ti n t r o d u c ea n ye x p e r i m e n t a ld a t a ， g a s l i q u i dp r o p e r t i e sa n dp a c k i n gs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s a r ee n o u g h t h eh y b r i d a r i t h m e t i co fm a s s t r a n s f e rp r o c e s sp r o v i d e san e wa p p r o a c hf o rt h ed e s i g no ft h e e q u i p m e n ta n do p t i m i z a t i o no f t h ep r o c e s so f l a r g e s c a l es t r u c t u r e dp a c k i n gc o l u m n s k e y w o r d s ： c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ；s t r u c t u r e dp a c k i n g ；t w o p h a s ef l o w ；l d a ； f a l l i n g f i l m s t r i p p i n g ；l i q u i d f l o w d i s t r i b u t i o n ；h o l d u p ；m a s st r a n s f e r ； c o m p u t a t i o n a lm a s s t r a n s f e rt h e o r y 天津大学博士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：容芳 签字日期：二p 口争 年，j 月纠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名 参牵细 签字日期：扣f 年j 月1 7 日 签字日期：臼tj _ 年，月，日 天津大学博士学位论文 前言 在过去的二十多年，规整填料在过程工业中的应用范围不断扩展。 尽管规整填料塔在很多领域已经成功应用，但规整填料塔的设计目前仍停留 在经验与半经验阶段，主要原因是人们对规整填料塔内部实际发生的很多现象缺 乏深入的认识。实际操作过程中，规整填料塔内部存在多种尺度的流动与传质结 构，如精馏过程中，会出现与设备结构和流动参数有关的各种大尺度的沟流，短 路和返流现象以及端效应和壁效应问题，在小尺度范围如填料片组成的局部单元 或者填料盘与填料盘之间的局部单元，会出现液体降膜流动，局部气相返混，局 部液泛等等，在填料表面或气液界面，会出现气液界面的波动及湍动现象。这 些不同尺度的结构在不同的方面或不同的步骤上控制着实际的传质分离效果，而 所谓的放大效应问题，实际上就是对这些不同尺度的结构及其间的相互影响缺乏 深入的认识。 随着计算流体力学及其相关学科的发展，对涉及复杂多相流体流动现象的传 质分离与反应过程进行比较准确的量化描述逐步成为可能。由于采用直接数值模 拟的方法同时模拟实际设备内部的所有细节行为( 如气液界面的湍动和传质) 进 而预测不同尺度结构的变化，其计算工作量远远超出了人类现有计算机的计算能 力，因此一些学者提出了多尺度分析的思路。其中，余国琮领导的研究小组提出 了采用多尺度关联的计算传质学方法研究过程工业放大问题的思路。这里，计算 传质学是指借鉴计算流体力学和计算传热学的理论和方法，建立严格考虑流速分 布、温度分布以及化学和生物反应条件，定量描述传质过程的方法，其目标是定 量预测过程的传质分离或反应效率。而多尺度关联的计算传质学方法则是指在研 究不同尺度系统特征规律的基础上，建立多尺度关联的计算传质学模型，将不同 尺度系统之问以及同一尺度的不同子系统之间的相互影响关联起来，以期准确预 测不同尺度的结构及其间的相互影响，最终实现传质分离与反应过程比较准确的 量化描述。 采用上述思路，本文针对规整填料塔研究了不i 司尺度系统的流动与传质结 构，初步建立了描述规整填料塔内传质过程的多尺度计算传质学模型并对规整填 料塔内的传质机理进行了探讨， 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 规整填料塔中流体流动分布模型 填料塔内的流体分布状态，尤其是液相分布对填料塔的传质效率有重要影 响，因此，各国学者对填料塔内气液两相的宏观流动分布进行了大量的研究，这 里主要介绍规整填料塔方面的研究进展。 1 1 1 扩散模型 早期的研究者大多套用散堆填料塔内广泛使用的扩散模型来描述规整填料 塔内的液相流动分布“1 。 其中，h o k e 等“1 假设液体完全沿规则通道的倾斜方向流下，横向扩散由填料 交叉点处液体的混合形成，推导出了将扩散模型应用于规整填料塔的液体有效分 散系数表达式。 何杰。1 认为：液体向下流动时，并不是沿规则通道的倾斜方向流下，而是在 重力作用下，沿着与铅垂线最小夹角的方向流动，且这一角度随液相喷淋密度增 大而减小；液体在向下流动过程中，在倾斜通道的交叉点处部分接触，进行质量 传递后再分开，使整个填料面上的液体分布趋于均匀。 扩散模型最基本的假设是液体在填料塔内随机流动，而规整填料的流道十分 规则，液体流动的随机性受到很大限制。 考虑到液相在规整填料内既具有规则性又有随机性的流动特点，孙敬玺”1 提 出采用径向扩散模型和离散方法相结合的手段模拟金属板波纹填料塔内的液相 流动分布。 1 1 2 静态混合器模型 d a n g i z e r 0 1 对与板波纹规整填料结构类似的s u l z e rs m v 型静态混合器中的液 体分布进行了研究和模拟。d a n g i z e r 认为：液体以满流形式，沿静态混合器的规 则通道流动，在通道交叉处，构成一个混合室，液体只在混合室中发生混合。液 体每流过一个交叉混合室就发生一次混合，这样就构成了一个离散模型。他用正 方形排列矩阵模拟混合器内横截面形状，矩阵的每个元素对应填料横截面某一位 置的流动，经过一盘填料液体实现了二维混合，经过两盘填料则实现了三维混合， 图1 1 为静态混合器模型图。其模型方程为： 第一章文献综述 黜篙k1 ：燃j 一- 1 矧：躲1 1 矧k + l m - ， i 巧( - ，) = ( 一占) 巧(，七+ 1 ) + 占t ( ，一， ) 。 式中，v x 代表z 方向的液相流量，巧代表y 方向的液相流量，s 代表混合室 中的混合系数。 1 1 3 结点网络模型 八八 g 袋 图1 - 1 静态混合器模型 f i g 1 - 1s t a t i cm i x e rm o d e l 徐崇嗣”1 在d a n g i z e r 静态混合器模型的基础上建立了结点网络模型。模型假 设为： ( 1 1 在每盘填料内，液体在规整填料片之间的夹层内作二维运动。在每一夹层内， 液体以全充满形式沿波纹通道流动，仅在通道交叉点处发生混合； ( 2 ) 液体不能穿过填料片流向相邻夹层内： ( 3 ) 液体流到塔壁之后立即发生完全反射，重新流回填料层； ( 4 ) 两盘填料的交界面上相邻通道的液体发生横向混合。 该模型的结点混合方程为： 塔壁全反射方程为： y ( i ， + l ，k ) = x ( i ，五，k i ) ( 1 3 ) 式中，p 为结点处发生混合的分流占总液流的分率( o 印 ) t ， ( ( j y 第一章文献综述 a ：计建炳模型”ob ：裘俊红模型 c ：高瑞昶模型“2 f ：n a w r o c k i 模型”1 d ：张红彦模型“3 e ：a d i s o r n 模型“” 图1 - 2 各种改进型结点网络模型在结点处的分配方案 f i g1 - 2a l l o c a t i o ns c h e m e sa tc r u n o d e sf o rv a r i o u si m p r o v e dc r u n o d e sn e t w o r km o d e l 1 1 4 单元网格模型 与结点网络模型类似，单元网格模型是将填料塔按照一定规则划分成许多小 的计算单元，液体按照一定的流动分配规律在各个单元内流动分布。如s t o t e r 和 o l u j i 6 ”“”1 提出的l d e s p 液相分布模型，将整盘填料划分成一系列与填料孔道等 效直径相当的单元，液体以一定分配比例流入各个填料单元，并假定有液相流入 的填料单元壁面被完全润湿。c h u a n g 等”2 1 也提出类似的模型，并假设计算单元 特征尺寸小于填料的特征尺寸，因而c h u a n g 认为他们的模型既适用于散堆填料 塔又适用于规整填料塔。以上单元网格模型均需液相分布数据确定模型参数。 蹲氍蜜 鏊 第一章文献综述 1 1 5 电子渗流器模型 h a n l e y 等4 ”借用“电子渗流器”的概念来描述填料塔内的气液流动，该模型 假设没有被液体充满的塔内空隙对气体来说可以通过，类似“导电”；这些空隙 若被液体堵塞后，则气体不能通过，类似“绝缘”，整个填料塔由大量“导电” 与“绝缘”的空隙格栅组成，其构成类似于“电子渗流器”。当塔内没有液体注 入时，整个空隙格栅都处于“导电”状态，而当填料塔发生液泛时，整个空隙格 栅都处于“绝缘”状态。因此，填料塔内的气液接触过程，可以看成空隙格栅不 断“导通”和“绝缘”的过程。 1 1 6 空隙率流动模型 g r o s s e r 等”和d a n k w o r t h 等”提出了一个气液流动的宏观模型，该模型以 气、液相空隙率的流动为基础。通过该模型可以预测泛点一下的液相持液量和压 力梯度，也可以预测泛点。该模型未见其他学者引用或改进，应用较少。 1 1 7 计算流体力学( o f d ) 模型 随着近代计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 理论以及 计算机软硬件的迅速发展，用计算流体力学方法解决填料塔内的气、液相流动分 布问题己成为可能，特别是近期大量商业c f d 应用软件的涌现，为采用数值法 研究填料塔内的气、液相流动分布提供了有力的支持。根据建模的物理对象不同， 可以分为整体平均c f d 模型和单元综合c f d 模型。 ( 1 ) 整体平均c f d 模型 所谓整体平均就是将填料塔内的填料物性进行宏观平均，不考虑单个填料微 观结构对流体的作用，而是将填料看作具有一定空隙率的连续介质，并假定流体 在介质中连续流动，填料对流体的形体阻力通过n a v i e r - s t o k e s 方程的模型修正 项体现。 以规整填料结构的复杂性，建立整塔实体物理模型似乎不大可能。因此，许 多学者采用整体平均方法来计算规整填料塔内的气液相宏观流动分布。在这方 面，余国琮和袁孝竞等”6 1 曾以简化的n a v i e r - s t o k e s 方程及连续方程为基础，用较 简化的边界条件对填料塔内带有传质( 增湿、减湿) 的气液两相流动进行了模拟。 张鹏”采用p h o e n i c s 流体力学软件对规整填料塔内的气、液单相流和气、 液两相流情况进行了c f d 模拟。考虑到规整填料塔内液体为非连续介质，张鹏 的模型借助多孔介质理论，采用体积平均的方法对规整填料内的宏观流动分布进 行了描述。其模型方程为： 第一章文献综述 连续方程： v ( 口露) 一v ( 疗g ：v 每) = m i = l ，g( 1 - 4 ) 动量方程： v ( n q 磊面) + e v 鼻一v ( 只眨，v 霸) 一v ( b g ：v ) = 巴+ + m g f i ( 1 5 ) 式中，m 。i 为相间净传质速率；只i 为气相或液相与固体填料之间的相互作用 力；r i 为气液间相互作用力；j 为气相或液相相含率。为方便计算，张鹏的模型 忽略了固相填料所占的体积分率，则有： q + = l( 1 6 ) 张鹏的模型采用体积平均的方法将非连续的液体连续化，因此该模型是具有 平均意义的模型，但不能反映规整填料塔内的微观局部流动状况。 ( 2 ) 单元综合c f d 模型 所谓单元综合c f d 模型就是建立填料单元的实体模型，充分考虑填料结构 特性对流体流动的影响，通过模拟单个或多个填料单元来研究填料局部流动状 况。为精确地描述填料结构对流动的影响，通常计算网格划分较密，因此计算量 相对较大。这预示着在一般p c 机计算速度限制下，只能对含有几个到几十个填 料颗粒的填料床进行模拟，既便采用大型计算站，也很难对全塔流场进行模拟。 h o s d o n 等口8 】采用p h o e n i c s 商用流体力学软件对m e l l a p a k 3 5 0 y 型规整填料 塔内的气相单相流进行了模拟。他们将相邻两片填料在交接处围成的空间视为一 个体积单元，如图l - 3 所示。整个计算填料由这些体积单元组成，计算逐步进行， 第个体积单元的出口是下一个体积单元的入口。 图l 一3h o s d o n 模型的单元形状和网格划分 f i g 1 3s h a p ea n dg r i do f t h eh o s d o n sm o d e l 图l - 4 陈强等的模型单元形状及网格划分 f i g1 4g r i ds h a p ea n dm e s ho f c h e nq i a n g sm o d e 陈强、王金戌、王树楹等“”“”建立了与h o s d o n 模型类似的物理模型( 图1 - 4 ) ， 其研究对象为j c p t 塔板提升管上垂直放置的一段规整填料。因气、液两相并流 流动，被气体带入升气管中的液体在进入填料之前相互汇合，大液滴被气体进一 步破碎成细小的液滴，因此气液两相在填料通道中的流动按拟单相流处理。他们 第一章文献综述 采用三维有限差分技术，计算了层流状态下填料混合单元内的三维流场。根据模 拟结果，分析了填料孔道交界面处的流体混合机理。 p e t r e 等”采用f l u e n t 商用c f d 软件，对规整填料四种有代表性的局部 结构内的气相单相流进行了模拟( 图1 5 ) 。他们认为，规整填料塔内的压降是在 这四种结构共同作用下产生的。通过分析这些局部结构内的气相流场，得到每种 结构下的压力损失系数，并将其应用于整塔压降的计算。利用这种由局部估算整 体的方法，他们成功地预测了多种填料的干板压降。 图1 - 5p e 仃e 模型的四种局部结构 f i g 1 - 5f o u rl o c a ls t r u c t u r e so f p e t r e sm o d e l 图1 - 6k a t a p a k s 划整填料的物理模型及单元网格划分示意圈 f i g 1 - 6p h y s i c a lm o d e la n dm e s h e so f k a t a p a k ss t r u c t u r e dp a c k i n g g u l i j k 建立了含有2 6 个孑l 道的规整填料模型，并采用c f x 4 1 流体力学软 件模拟了液相示踪剂的扩散过程，根据模拟结果讨论了规整填料内液体的径向返 混情况。在g u l i j k 模型基础上k r i s h n a 等”3 建立了针对k a t p a k s 型反应精馏 规整填料的8 孔道c f d 模型( 图1 6 ) 。为便于计算，他们引入了“t o b l e r o n e ”概 念，将两相流问题简化为单相流处理。模型假设气一液两相在含有催化剂的规整 填料内流经不同的通道，气相只从没有添装催化剂的孔道内通过，而液相只从装 有催化剂的孔道内流过，因此每个孔道内的流动可视为单相流。根据该模型， k r i s h n a 模拟了气液两相的示踪剂扩散过程，并根据模拟结果估算了气液相返混 系数。模型方程如下： 第一章文献综述 掣+ v ( 日岛羁) ：o ( 1 - 7 ) 旦生型o t + v ( 。岛回喀一h q ( v 珥+ ( v 蟊) 7 ) ) = 日曰一日v p ( 1 8 ) 模型中含有催化剂的孔道视为多孔介质。颗粒对流体的形体阻力b 由e r g u n 方程计算： 斗s 嗡孚+ 半譬啡 m 。， c f d 技术应用于规整填料领域还只是刚刚起步阶段，无论是整体平均模型还 是单元综合模型，大多经过了相当的简化假设，如，将具有一定结构形状的规整 填料视为多孔介质：假定液相为连续相；假定填料孔道内为单相流或拟单相流等。 随着计算机运算速度和计算算法的发展，今后的研究方向应是在考虑规整填料具 体结构形状的基础上建立规整填料实体物理模型，以填料内的局部气液两相流 场为基础探究填料塔中的相间传热、传质机理，或以c f d 模拟得到的填料塔局 部流场信息为基础，估算整塔的压降、持液量、有效润湿面积、传热或传质系数 等填料塔设计参数，使c f d 技术真正地成为填料塔设计的辅助工具。 1 2 液膜流动的研究进展 相对于填料塔整体宏观流动分布，针对规整填料而开展的液体在填料表面的 微观流动研究较少。从微观角度讲，规整填料片上的液相流动可视为倾斜平板或 倾斜波纹板上的溪流液膜流动过程。液相性质、固体壁面的材料特性以及液膜表 面的不稳定波动等因素对液膜的润湿效果和气液两相的传热、传质过程都有很 大影响，并最终决定了膜状化工设备的操作性能。因此有必要对填料片上的液膜 流动行为进行研究，以探求液膜传热传质过程的机理。 1 2 1 液膜流动的实验测试方法 液膜流动的测量方法主要分为：接触式测量和非接触式测量( 表1 1 ) 。这些测 试手段各有优缺点。接触式测量技术发展比较成熟，测试成本相对较低，但大都 需要探头与测量液体直接接触。由于液膜很薄，既使非常细小的探头也会破坏原 有的液膜流动形式。上世纪六七十年代发展起来的各种非接触式流动显示技术在 液膜流场测量方面有很多应用。这些非接触式测量技术采用光学法、示踪剂染色 法、示踪粒子法等手段获得流场信息。对流场不产生或产生较小干扰，因而能够 获得较为准确的流场信息。 第一章文献综述 表1 1 液膜流动的测量方法 t a l b e1 m e a s u r e m e n t a lm e t h o d sf o rl i q u i df i l mf l o w 测量方法分类文献报道 接触式热线，热膜测速仪( h w a h f a ) 文献 6 7 】 测量方法电导分析法文献 4 8 5 0 、6 5 、6 8 】 鉴于非接触式测量方法的各种优越性，越来越多的学者倾向于采用这种方法 测量液膜内的流场分布。虽然非接触式测量方法对流场干扰不大，但由于需要向 流场中加入一些示踪粒子或示踪剂，于是带来微粒浓度、微粒跟随性和微粒散射 光清晰度等一系列问题。非接触式流动显示技术直接测量得到的是一些杂乱无章 的粒子图像或电信号，如何从这些无序的信号中找到有用的流场信息是流动显示 技术应用的关键所在。另外，新型流动显示技术的设备昂贵，且只适于测量结构 简单的实验室设备中的流场分布，不易实现复杂设备内的流场测量。这些问题都 制约着流动显示技术的广泛应用，相信随着这些问题的解决，非接触式流动显示 技术在测量诸如液膜流动、气泡运动等多相流问题方面的应用会越来越有优势。 1 2 2 液膜流动的理论研究 有关液膜流动较早的理论研究为n u s s e l t 的降膜理论。“，该理论假设：液膜 表面平滑，无任何波纹，忽略气液界面剪应力。另外，许多学者“”采用线性和 非线性稳定性分析，对液膜发生界面不稳定波动的条件、波动频率、波速等进行 了理论研究。这些研究结果均表明，当r 8 数超过一定临界值后，平滑的液膜将 不可避免地发生失稳，产生界面波动。 随着对液膜稳定性认识的加深，人们的目光逐渐转向了对液膜界面波的形 状、变化规律以及波内部流动特征等方面的研究。在这方面d u k l e r 等、h e w i t t 等“、m i y a r a 4 ”等进行了大量的实验和理论研究。他们的研究结果表明：在低于 开始发生界面波动的l 临界r e 数以下时，液膜表面完全平滑；当稍高于临界舶 数时，液膜表面开始出现很小的结构对称的正弦波；随着r p 数不断提高，原来 的对称界面波逐渐变得不对称，波前端变得陡峭，波后端出现较长拖尾，这种波 称为滚动波。滚动波通常是无序的，相互作用的，其峰值是平均液膜厚度的3 5 倍，滚动波实际上控制着液膜的传热传质速率。当r p 数很大时，波动形式出 现紊乱，液膜层流变为湍流。 以液膜波动力学为基础研究液膜传递特征一直是研究热点“”5 。最初研 究分层流动的传递过程时，大都假设相界面平滑无波动，即，忽略了波动界面对 传递过程的影响。c h a r l e s 的研究“”则表明，波动界面的传质系数比平滑界面的 第一章文献综述 传质系数太很多。h e w i t t 的研究”“也指出界面波对传热有增强作用。虽然这些研 究结果均表明，液膜波动可增强传递过程，但研究对象大都是液相单相流，所得 结果很难应用于多相流的化工设备设计中。 由于液膜表面的波动能够增强传递过程，很多厂商将填料表面处理为波纹 状，以期强化传热、传质过程。但目前对波纹板上液膜流动的研究相对较少，其 中w a n g ”1 和m i c k a i l y 对小振幅波纹板上的液膜流动过程进行了数值研究。 p o z r i k i d i s ”1 采用边界积分法对正弦波固体表面和矩形波固体表面上的爬流流动 进行了数值模拟，考察了不同振幅壁面上的液膜流动规律。c e r r o 等“”以表面 带有波纹的规整填料为研究背景，通过简化处理，采用扰动理论对各种不同微观 波纹板和宏观波纹板上的液膜流动过程进行了大量的实验和理论研究。该研究与 实际填料上的液膜流动仍有一定差距。n e g n y 等阳1 采用有限差分法对波纹壁面上 的降膜流动进行了数值模拟。模型中假设液膜为稳态流动，模拟计算了一段波纹 段上的液膜流动，波纹进出口设定为周期边界条件。模拟结果表明，随黜数增 加，在波纹谷底会产生漩涡，且漩涡随液速增加而增大，当且8 数增大到定程 度，漩涡会随着主流向下流动，在产生漩涡附近的壁面上，剪应力为负值，漩涡 的大小可用壁面剪应力发生符号改变的区域表示。 1 2 3 液膜流动的数值模拟方法 由于渡膜流动自由边界的不确定性，使得数值模拟存在很大的困难。其难点 是如何将自由界面离散化，如何准确地追踪到自由界面随时间的变化，以及如何 在变化的自由界面上加边界条件等。针对这些数值模拟难点，人们提出了以下几 种自由边界的处理方法： 1 ，2 、3 1 滚膜厚度方程法( i t e i g h tf u n c t i o n ) 自由边界最简便的定义方法是，给出从自由边界到某条参考线的距离随参考 线位置变化的函数。例如，在一个单元宽度为，高度为砂的矩形网格上，定 义h 为自由边界到每列单元最底端边界网格的垂直距离。可通过一系列的离散x 值得到h 的一条曲线h = f ( x , o 。这种定义方法使用起来非常方便，只需维存储 列来记录自由表面的高度值。同样，自由表面的发展方程也只需进行一维列的更 新。流体自由界面随时问的发展方程用下式表示： 娑+ “竺：uf 1 1 0 ) 甜出 值得注意的是方程( 1 1 0 ) 在水平方向采用欧拉处理法，在垂直方向( 近似的 界面法向方向) 采用拉格朗日处理法，求解采用有限差分法。 由于液膜厚度方程法形式简单，易于实现数值求解，因此许多学者“”3 采用 第一章文献综述 这种方法来描述液膜流动的界面波动。但是，当边界斜率d h d x 超过单元网格的 纵横比j y j x 时，这种方法不适用，而且对多面值问题，该方法完全不可行。这 些问题严重地限制了液膜厚度方程法的广泛应用，因为许多简单的形状，如气泡 或液滴，部属于多面值问题。 1 2 3 2 线段法( l i n es e g m e n t s ) 将液膜厚度方程法推广，用线段或线段所连接的点序列来表示液膜自由表 面，称之为线段法。这种方法需要存储每个点的坐标，为了保证精度，两点间距 离必须小于网格尺寸的最小值。该方法没有单值面限制，但需要大量存储空间。 线段序列随时间的发展很容易获得，只需考虑局部流速移动距离的序列即 可，局部流速根据点周围网格的速度采用内差法确定。从这个意义上说，线段法 类似于拉格朗日网格线，只是该方法更加灵活，因为根据最优精度的需要可以随 意增减一些有序线段，而不会出现任何逻辑问题。 线段法也有其致命缺点，就是当处理两个交叉面，或一个重叠面时，线段序 列可能因为一些序列的增减而需要重新排列。如果能预知面的交叉规律，那么线 段重列过程毫无问题，但预测面如何交叉以及确定如何重新排列并非易事。同样， 将线段法扩展到三维面上也不容易实现。 1 2 3 3 标记粒子法( m a r k e rp a r t i c l e s ) 除了直接确定自由表面位置，还可通过确定流体占据的j 叉：域空间来确定自由 表面位置。假设在分层流动的某种流体所占据的区域内遍布着被标记的粒子，每 个粒子将跟随它所在位置处的流体一起运动。自由表面定义为存在和不存在标记 粒子区域之间的位置。显然，这种方法需要存储大量的标记点坐标。标记粒子法， 完全解决了交叉面涉及的所有逻辑问题。只要有足够的存储空间，这种方法可以 很方便地扩展到三维问题。 1 2 3 4x 0 f 法( v o l u m eo f f l u i d ) 对比前面几种方法，似乎采用定义流体区域的方法比定义界面坐标的方法更 具优越性，因为前者处理含有交叉自由表面问题更加得心应手，从逻辑上更容易 实现。标记粒子法虽然能很方便地处理自由表面问题，但需要大量存储空间。为 此，人们提出一些替代标记粒子法的算法，使用少量计算机资源即可达到标记粒 子法的计算目的，v o f 法( v o l u m eo f f l u i d ) “”“1 就是其中之一。 设函数f ，一个网格单元内f 的平均值就代表该单元内被某种流体占据的体 积分率，特别当单元内的f 值为l 时，就表示该单元内充满了某种流体：为o 时表示该单元无该种流体；在o 1 之间时表示该单元内存在自由表面。因此， v o f 法能够提供与标记粒子法相同精度的界面信息，而每个删格单元却仅需要 第一章文献综述 一条存储信息，计算存储量大大降低。v o f 法的本质是对流体区域的跟随，而 不是对自由界面的跟随，所有有关交叉界面的逻辑问题在v o f 法中均不存在。 v o f 法还可以很方便地推广到三维计算中。 一些学者采用v o f 法求解了一些简单的液膜流动问题”。v o f 法不仅用 于追踪自由表面流动，还能处理流体喷射崩溃破灭、液体中的大气泡形成与运动、 相变等问题。 1 3 填料塔传质模型的研究进展 填料塔内气、