波纹板结构对薄膜流动特性的影响研究.pdf

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1、第43卷第1期化工机械63波纹板结构对薄膜流动特性的影响研究李杰4洪伟荣郭雅琼(浙江大学化学工程与生物工程学院化工机械研究所)摘要对3种结构(矩形、梯形和三角形)的波纹板薄膜流动进行数值计算，研究了波纹结构对薄膜流动特性的影响。数值计算使用OpenFOAM软件中基于VOF(VolumeofFluid)法的多相流求解器，得到3种波纹板薄膜自由表面位置。研究发现三角形波纹板薄膜波动特性最佳，矩形最次；并且分析了薄膜流动与相间传热传质的关联性，研究结论可以为填料结构设计提供理论依据。关键词填料塔波纹板结构薄膜流体VOFOpen

2、FOAM传质效率中图分类号TQ053．5文献标识码A文章编号0254-6094(2016)叭-0063-05规整填料塔是近年来在精馏和吸收过程中得到广泛应用的一类气液接触传质设备¨1，规整填料塔因其结构简单、效率高、压降低、填料易用及耐腐蚀等优点，广泛应用于化工、石油等过程工业中。尽管规整填料塔在很多领域已经成功应用，但目前填料塔的设计和计算仍处于经验与半经验阶段，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认识，而且填料塔内填料种类繁多、材料各异、结构不同，使得填料结构也呈现出多样性和随机性。宏观上对填料塔

3、内流体流动和传热传质进行计算，结果往往非常不准确；采用数值模拟的方法对塔内所有细节行为进行预测，远超出了人类计算机现有的计算能力。学者们普遍提出了多尺度分析的思路，建议从微观角度研究填料塔内局部薄膜流动特性，将填料上流体流动简化为重力作用下倾斜平板或波纹板表面薄膜流动。从微观角度来研究倾斜板表面薄膜流动特性、传热传质性能，进而掌握气液相流体在填料上流动分布规律，确定影响流体流动形态变化的因素，然后进一步扩展到多片填料实体物理模型，进而估算整塔效率并给出整塔设计参数旧1。对薄膜流动研究最早可以追溯到1916年NussehW

4、的理论研究¨1。Nusseh理论是极其理想化的模型，该理论假设薄膜表面平滑，忽略气液界面剪应力，分析沿平板下落的薄膜流动，得出了薄膜厚度和雷诺数的准则关系式，忽略了薄膜波动。此后大量的学者对倾斜平板表面薄膜流体的稳定性、自由表面孤立波等现象进行了研究H“J。学者们发现波纹表面薄膜流动传热传质效率更高，逐步展开波纹结构板表面的薄膜流体流动研究，起初是WangCY于1981年开始的¨1。对波纹板薄膜流动研究涉及正弦形波纹板旧1、矩形波纹板旧1和三角形波纹板⋯川结构表面的薄膜流动，但这些研究都是针对某一特定波纹结构，并没有综合

5、考虑波纹结构因素对薄膜动力特性的影响。因此笔者以三角形、梯形和矩形3种波纹结构上薄膜流动为研究对象，探究波纹结构对薄膜流动特性和传热传质的影响，综合比较波纹板结构对流动的影响，并分析流动特性与气液两相间传质的联系。1数值模型1．1物理模型考虑重力作用下薄膜沿倾斜波纹板表面流动，几何模型如图1所示。函为波纹板水平方向与水平面的夹角，3种波纹板波长A均为10mm，波纹板振幅a均为1mm。+李杰，女，1990年8月生，硕士研究生。浙江省杭州市，310027。a．三角形波纹板化工机械2016薤b．梯形波纹板n矩形波纹板图1波纹板

6、几何模型1．2数学模型和数值计算方法1．2．1数学模型气一液逆流薄膜流动属于气一液两相分层层流流动，采用VOF界面追踪技术进行自由界面位置捕捉，VOF法的优点是可以精确地模拟薄膜自由表面波动，特别适合有明显相界面的流场。连续方程V五=o(1)．，斗、动量方程盟掣+V(p沉)=Pg—Vp+v[卢(v矗+U●V矗7)]+户；(2)其中，五、P、t分别代表了速度矢量、压力和时间项，考虑表面张力采用连续表面力模型，瓦是表面张力源项，计算公式为：声。=盯_Ic聘味着液体和气体相之间存在一个自由表面。1．2．2数值模型网格划分以薄膜

7、人口处为基准，取12等分，气相部分体积设定为液相部分的3倍，薄膜流动方向和气相部分取相同大小的网格尺寸。薄膜流动入口处的速度边界使用了Nusseh解，h。为薄膜平均速度，^、=√}≥烹鼍；H。为薄膜平均速度，M。：丛二_掣，计算域中速度分布函数为：。。，m刈：。，：J÷“x(鲁一善)，。^、3种波纹板除去结构特征不同外，其他条件均一致。波纹板上薄膜流体数值模型如图2所示，数值模型边界条件定义见表1。≯气I叶I筏棚人图2波纹板上薄膜流体数值模型(，)查!兰竺茎竺兰至鱼竺兰兰其中，K为表面曲率，盯为表

8、面张力。外法向矢量rt和表面曲率K定义为：凡=(n。，凡，)=一VaK=一V五一凡肛一丽计算域内流体的密度和粘度，采用两种流体的体积分数的加权平均进行计算，下标l和g分别代表液相和气相：(4)2模型验证p=掣l+(I—a)p。(5)其中，a为液相体积分率，a定义如下：，I，单元内全为液相a=J0