基于格子Boltzmann方法的Rayleigh对流及其对界面传质影响的研究

摘要

在界面传质过程中,若近界面传递组分的浓度梯度所导致的密度梯度与重力作用方向相反,会产生Rayleigh不稳定,此时若存在界面扰动,则会引发Rayleigh对流。这种对流现象会对界面传质产生重要影响。针对气液界面传质过程,本文建立了用于液相Rayleigh对流模拟的二维非稳态带有双分布模型的格子Boltzmann方法(LBM),并辅以纹影仪定性观察和粒子成像测速仪(PIV)定量测量实验,旨在研究界面失稳现象、液相Rayleigh对流的特征及其对界面传质的影响。
　　首先,以乙醇吸收CO2传质过程为研究对象,应用所建立的LBM,对界面上具有离散和连续高浓度CO2扩散源引发的Rayleigh对流现象进行了模拟,结果显示,模拟得到的浓度分布结构与采用纹影仪观测结果相一致。通过考察Rayleigh对流和浓度分布结构,分析了Rayleigh对流存在条件下的传递规律。针对单个溶质扩散源引发的Rayleigh对流,建立了相应的气液传质实验装置,结果发现,速度分布的LBM模拟结果与PIV实验测量结果吻合较好。
　　其次,以水平初始静止液体吸收CO2传质过程为对象,建立了描述界面扰动的随机扰动模型来研究Rayleigh对流开始的临界参数。结果表明,随机浓度扰动模型参数:局部扰动概率P和浓度扰动大小CD存在一个合适的取值区间(0.05≤P≤0.3,0　　最后,应用随机浓度扰动模型(P=0.1,CD=10-12 kg·m-3)并考虑壁面阻力研究了CO2-乙醇吸收过程和异丙醇-水及丙酮-乙酸乙酯溶液解吸过程Rayleigh对流的特征及其对界面传质的影响,并对Rayleigh对流的特征进行了实验验证。结果表明,Rayleigh对流主要作用于液相主体,使得液相主体具有较大的湍动速度(10-4~10-3 m·s-1);液相主体中存在许多循环流动和漩涡,促进了界面更新以及界面与液相主体之间液体的交换与混合;羽状对流结构经历了从有序到无序的发展过程,是不断更新的耗散结构;传质增强因子表明Rayleigh对流能够有效地提高吸收和解吸过程传质速率,强化界面传质过程。本文对伴有Rayleigh对流的传质模型进行了分析,提出了将近界面处羽状对流结构的宽度作为特征尺度求得表面更新时间,由此得到的传质系数与LBM模拟值吻合较好。

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第一章 文献综述

1.1引言

1.2 Rayleigh对流研究进展

1.3传质理论

1.4 Rayleigh对流的研究意义及前景

1.5本文主要工作

第二章 用于Rayleigh对流模拟的格子Boltzmann模型

2.1格子Boltzmann方法的起源与发展

2.2格子Boltzmann方法基本理论

2.3格子Boltzmann方法的应用

2.4用于Rayleigh对流模拟的格子Boltzmann模型

2.5小结

第三章 界面上离散和连续溶质扩散源传质过程Rayleigh对流模拟研究

3.1界面上单个溶质扩散源引发Rayleigh对流的格子Boltzmann模拟

3.2界面上单个溶质扩散源引发Rayleigh对流的实验验证

3.3界面上多个离散溶质扩散源引发的Rayleigh对流

3.4界面上连续溶质扩散源引发的Raleigh对流

3.5小结

第四章 Rayleigh对流中界面扰动模型化和临界现象模拟研究

4.1界面扰动模型化

4.2模型参数P和CD的确定

4.3基于速度扰动的随机扰动模型

4.4 Rayleigh对流临界开始时间的实验验证

4.5小结

第五章 Rayleigh对流特征及其对界面传质影响的分析

5.1吸收过程Rayleigh对流的特征及其对界面传质的影响

5.2解吸过程Rayleigh对流的特征及其对界面传质的影响

5.3伴有Rayleigh对流的传质模型分析

5.4小结

第六章 结论与展望

6.1研究结论

6.2研究展望

附录A 平衡分布函数离散方程的推导

附录B 格子Boltzmann模型导出Navier-Stokes方程

符号说明

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢