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1、第43卷第1期化工機(jī)械63波紋板結(jié)構(gòu)對薄膜流動特性的影響研究李杰4洪偉榮郭雅瓊(浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院化工機(jī)械研究所)摘要對3種結(jié)構(gòu)(矩形、梯形和三角形)的波紋板薄膜流動進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究了波紋結(jié)構(gòu)對薄膜流動特性的影響。數(shù)值計(jì)算使用OpenFOAM軟件中基于VOF(VolumeofFluid)法的多相流求解器，得到3種波紋板薄膜自由表面位置。研究發(fā)現(xiàn)三角形波紋板薄膜波動特性最佳，矩形最次；并且分析了薄膜流動與相間傳熱傳質(zhì)的關(guān)聯(lián)性，研究結(jié)論可以為填料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞填料塔波紋板結(jié)構(gòu)薄膜流體VOFOpen
2、FOAM傳質(zhì)效率中圖分類號TQ053．5文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0254-6094(2016)叭-0063-05規(guī)整填料塔是近年來在精餾和吸收過程中得到廣泛應(yīng)用的一類氣液接觸傳質(zhì)設(shè)備¨1，規(guī)整填料塔因其結(jié)構(gòu)簡單、效率高、壓降低、填料易用及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、石油等過程工業(yè)中。盡管規(guī)整填料塔在很多領(lǐng)域已經(jīng)成功應(yīng)用，但目前填料塔的設(shè)計(jì)和計(jì)算仍處于經(jīng)驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)階段，主要原因是人們對規(guī)整填料塔內(nèi)部實(shí)際發(fā)生的很多現(xiàn)象缺乏深入認(rèn)識，而且填料塔內(nèi)填料種類繁多、材料各異、結(jié)構(gòu)不同，使得填料結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出多樣性和隨機(jī)性。宏觀上對填料塔
3、內(nèi)流體流動和傳熱傳質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果往往非常不準(zhǔn)確；采用數(shù)值模擬的方法對塔內(nèi)所有細(xì)節(jié)行為進(jìn)行預(yù)測，遠(yuǎn)超出了人類計(jì)算機(jī)現(xiàn)有的計(jì)算能力。學(xué)者們普遍提出了多尺度分析的思路，建議從微觀角度研究填料塔內(nèi)局部薄膜流動特性，將填料上流體流動簡化為重力作用下傾斜平板或波紋板表面薄膜流動。從微觀角度來研究傾斜板表面薄膜流動特性、傳熱傳質(zhì)性能，進(jìn)而掌握氣液相流體在填料上流動分布規(guī)律，確定影響流體流動形態(tài)變化的因素，然后進(jìn)一步擴(kuò)展到多片填料實(shí)體物理模型，進(jìn)而估算整塔效率并給出整塔設(shè)計(jì)參數(shù)舊1。對薄膜流動研究最早可以追溯到1916年NussehW
4、的理論研究¨1。Nusseh理論是極其理想化的模型，該理論假設(shè)薄膜表面平滑，忽略氣液界面剪應(yīng)力，分析沿平板下落的薄膜流動，得出了薄膜厚度和雷諾數(shù)的準(zhǔn)則關(guān)系式，忽略了薄膜波動。此后大量的學(xué)者對傾斜平板表面薄膜流體的穩(wěn)定性、自由表面孤立波等現(xiàn)象進(jìn)行了研究H“J。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)波紋表面薄膜流動傳熱傳質(zhì)效率更高，逐步展開波紋結(jié)構(gòu)板表面的薄膜流體流動研究，起初是WangCY于1981年開始的¨1。對波紋板薄膜流動研究涉及正弦形波紋板舊1、矩形波紋板舊1和三角形波紋板?川結(jié)構(gòu)表面的薄膜流動，但這些研究都是針對某一特定波紋結(jié)構(gòu)，并沒有綜合
5、考慮波紋結(jié)構(gòu)因素對薄膜動力特性的影響。因此筆者以三角形、梯形和矩形3種波紋結(jié)構(gòu)上薄膜流動為研究對象，探究波紋結(jié)構(gòu)對薄膜流動特性和傳熱傳質(zhì)的影響，綜合比較波紋板結(jié)構(gòu)對流動的影響，并分析流動特性與氣液兩相間傳質(zhì)的聯(lián)系。1數(shù)值模型1．1物理模型考慮重力作用下薄膜沿傾斜波紋板表面流動，幾何模型如圖1所示。函為波紋板水平方向與水平面的夾角，3種波紋板波長A均為10mm，波紋板振幅a均為1mm。+李杰，女，1990年8月生，碩士研究生。浙江省杭州市，310027。a．三角形波紋板化工機(jī)械2016薤b．梯形波紋板n矩形波紋板圖1波紋板
6、幾何模型1．2數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法1．2．1數(shù)學(xué)模型氣一液逆流薄膜流動屬于氣一液兩相分層層流流動，采用VOF界面追蹤技術(shù)進(jìn)行自由界面位置捕捉，VOF法的優(yōu)點(diǎn)是可以精確地模擬薄膜自由表面波動，特別適合有明顯相界面的流場。連續(xù)方程V五=o(1)．，斗、動量方程盟掣+V(p沉)=Pg—Vp+v[盧(v矗+U●V矗7)]+戶；(2)其中，五、P、t分別代表了速度矢量、壓力和時間項(xiàng)，考慮表面張力采用連續(xù)表面力模型，瓦是表面張力源項(xiàng)，計(jì)算公式為：聲。=盯_Ic聘味著液體和氣體相之間存在一個自由表面。1．2．2數(shù)值模型網(wǎng)格劃分以薄膜
7、人口處為基準(zhǔn)，取12等分，氣相部分體積設(shè)定為液相部分的3倍，薄膜流動方向和氣相部分取相同大小的網(wǎng)格尺寸。薄膜流動入口處的速度邊界使用了Nusseh解，h。為薄膜平均速度，^、=√}≥烹鼉；H。為薄膜平均速度，M。：叢二_掣，計(jì)算域中速度分布函數(shù)為：。。，m刈：。，：J÷“x(魯一善)，。^、3種波紋板除去結(jié)構(gòu)特征不同外，其他條件均一致。波紋板上薄膜流體數(shù)值模型如圖2所示，數(shù)值模型邊界條件定義見表1?！蹥釯葉I筏棚人圖2波紋板上薄膜流體數(shù)值模型(，)查!蘭竺莖竺蘭至魚竺蘭蘭其中，K為表面曲率，盯為表
8、面張力。外法向矢量rt和表面曲率K定義為：凡=(n。，凡，)=一VaK=一V五一凡肛一麗計(jì)算域內(nèi)流體的密度和粘度，采用兩種流體的體積分?jǐn)?shù)的加權(quán)平均進(jìn)行計(jì)算，下標(biāo)l和g分別代表液相和氣相：(4)2模型驗(yàn)證p=掣l+(I—a)p。(5)其中，a為液相體積分率，a定義如下：，I，單元內(nèi)全為液相a=J0
