基于传质导致的rayleigh-bénard-marangoni对流研究

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1、天津大学博士学位论文传质导致的Rayleigh-Bénard-Marangoni对流研究姓名：沙勇申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：余国琮20020601中文摘要在相际传质过程中，由于物质在相界面上的传递而导致流体物化性质发生改变，产生表面张力梯度和密度梯度，由此引发的流体流动现象称之为Rayleigh-Bdnard-Marangoni现象。由于Rayleigh-Bdnard-Marangoni对流的发生改变了传质机理，促进了传质效率，因此提供了深入了解传质机理和探索增强传质途径的可能性。借助于激

2、光做光源，利用改进的纹影仪光学设备，通过选择不同的物系及传质过程，对不同机理引发的Rayleigh-Bdnard-Marangoni现象进行了系统的观测。实验观测结果显示Rayleigh-Bdnard-Marangoni对流现象由于其出现的机理不同，在宏观上表征为不同的对流形态，而且受流体起始流动状态的影响，其具体表现形式十分复杂oRayleigh-Bdnard-Marangoni对流结构可分为规则有序对流结构和无序对流结构，有序对流结构主要包括滚筒形和细胞形对流结构，无序对流结构呈“混沌”状，形态复杂;

3、Rayleigh-Bdnard-Marangoni对流结构尺度范围较大，其尺度小至仪器分辨率以下。通过建立降膜流动传质模型，并考虑了液相流动及非线性浓度分布的影响，利用线性微扰理论，得到了降膜流动传质过程Marangoni效应发生的理论临界条件。利用所建立的降膜流动传质实验装置，得出实A4*质系数的变化，由此获得Marangoni效应发生的实测临界条件，实测值与理论值基本符合，从而为工业上常见的降膜流动传质过程中Marangoni现象的预测和利用提供了理论依据。采用有限元数值计算方法对超临界Rayleig

4、h-Bdnard对流进行了模拟计算，得到了对流发生时的流场和浓度场。根据计算值与实验获得纹影图像的比较结果，可以利用纹影图像大致推断液相中浓度场的分布状况;同时Rayleigh-Bdnard对流流动决定了液相中浓度场的分布，可以通过纹影图像获得的浓度分布大致推断传质过程中Rayleigh-Bdnard对流的流动状况，因此提供了将纹影图像从定性研究转化为定量研究的可能。同时数值计算的结果表明，传质过程中当Rayleigh-Bdnard对流发生后，促进了液相表面更新，加强了传质效果;同时对流导致界面浓度不是均

5、一值，而是随空间和时间变化。利用实验观测和理论研究的成果，通过明确相际传质溶质渗透理论的传质微元尺度，提出了小尺度相际传质溶质渗透理论。对于渗透理论中难以处理的停留时间，通过确定界面湍动流体微元作为非稳态传质单元，结合界面湍动的流体力学特性，从而得以通过理论方法近似解决。结合小尺度相际传质溶质渗透理论，通过建立的半经验模型，研究了伴有Marangoni效应的传质动力学，阐述了Marangoni效应增强传质的机理，得到了传质Sh数与Ma数之间的连续指数关联，从而对不同实验过程中得到的不同Sh数与Ma数之间的

6、关系得以解释。研究表明，由Marangoni效应而增强的传质速率与界面Marangoni湍动的表现形式有关。关键词:界面湍动，质量传递，扩散，Rayleigh-Bdnard-Marangoni对流，流动不稳定性ABSTRACTDuringthemasstransferprocess,concentrationgradientinducedbythemassdifusionusuallycanproduceinterfacialtensiongradientanddensitygradient.Thesem

7、aycausetheappearanceofRayleigh-Bdnard-Marangoniconvection.Thisphenomenoninliquidrepresentsaconditionofinstabilitythatmightintensifythemasstransfer.Therefore,furtherstudyonRayleigh-Bdnard-Marangoniconvectionisnotonlyfortheoreticalinterestbutalsoforinvestig

8、atingthepossibilityofapplyingthisprincipletointensifythemasstransferprocess.LaserSchlierendevicewasestablishedtoobservedynamicandstaticconvectiveflowpaternsofRayleigh-Bdnard-Marangoniefectproducedinthemasstransferpr