伴有rayleigh对流的气-液界面传质过程的模拟与传质系数预测

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1、伴有Rayleigh对流的气-液界面传质过程的模拟与传质系数预测Numericalsimulationofgas–liquidinterfacialmasstransferwithRayleighconvectionandmasstransfercoefficientprediction(国家自然科学基金21176171)一级学科：化学工程与技术学科专业：化学工程作者姓名：刘柏彤指导教师：刘伯谭副教授天津大学化工学院二零一七年五月万方数据万方数据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

2、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，也不包含为获得天津大学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已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：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学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

3、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：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据万方数据摘要气-液界面传质过程中，若气-液界面处溶质的浓度梯度引发逆向的密度梯度，则该传质体系为Rayleigh不稳定体系。如果该不稳定性达到临界值并且在界面处存在扰动，则在界面处会引发Rayleigh对流。Rayleigh对流结构逐渐向液相主体演化，从而对界面传质产生重要的影响。以乙醇-CO2吸收过程为例，在格子-玻尔兹曼方法-有限差分混合方法的基础上，建立了液相随机扰动模型，对气-液界面传质过程中出现的R

4、ayleigh对流进行了二维数值模拟，并且以Rayleigh对流临界开始时间为判断标准，确定了随机扰动模型的扰动参数取值。将二维数值模拟得到的液相浓度等值线分布和Rayleigh对流发展特征与纹影仪实验图像结果对比，验证了该二维数值模拟方法控制数值噪音的有效性和反映Rayleigh对流特征的准确性，为传质系数预测研究提供可靠的数据。由于缺乏气-液界面处界面性质的深入了解，加之气-液界面处流体流动的特殊性，至今没有一个普遍通用的传质系数预测模型（公式）。基于上述结果，本文首先开展了伴有Rayleigh对流的气-液界面吸收

5、传质过程的传质系数预测研究。伴有Rayleigh对流的气-液界面传质过程的传质状况取决于界面附近的流动状况，故利用数值模拟提供的近界面区域的场数据，假设该质量传递过程为一种特殊的湍流，借鉴湍流传质模型（小涡模型和表面散度模型）和计算传质学的有关物理量，得到传质系数预测模型（公式）。不同模型（公式）在拟合度、传质系数峰值、传质系数达到峰值时间、相位差、Rayleigh对流完全发展阶段传质系数的瞬时值方面各有优势。良好的传质系数预测结果则表明产生机理不同的漩涡的以相同的方式影响传质。随后，类比得到了解吸过程的数值模拟方法和

6、传质系数预测模型（公式），并结合具体特征优化了传质系数预测模型（公式）。在二维数值模拟的基础上，本文建立了用于三维模拟的基于气相随机扰动模型的格子-玻尔兹曼方法-有限差分方法，与纹影仪实验图像吻合良好，并得到了实验无法观测的现象。沿用二维传质系数预测方法，拟合得预测效果良好的传质系数预测公式（模型）。关键词：Rayleigh对流，格子-玻尔兹曼方法-有限差分方法（LBM-FDM），气液界面传质，纹影，传质系数I万方数据ABSTRACTIntheprocessofgas-liquidinterfacialmasstran

7、sfer,thesystemistermedasRayleighunstablesystemifthereisreversedensitygradientcausedbytheconcentrationgradientofsoluteattheinterface.TheRayleighconvectioncanbeinducedattheinterfaceoncetheinstabilityreachesthecriticalvalueandthereisadisturbanceattheinterface.Subse

8、quently,theconvectivestructureofRayleighwillevolveintothemainpartofliquidphase,whichhasanimportantinfluenceontheinterfacialmasstransfer.TakeCO2-ethanolabsorptionproce