波纹填料表面薄膜流体的数值及实验研究

摘要

在化工生产过程中，气液两相间接触面积的大小和液相湍动程度是影响传热传质效率的重要因素。薄膜流体因其高传热传质系数及动力消耗小等特点而备受青睐。填料表面波纹结构能引起薄膜流动特性的改变，从而提高薄膜流体的传热传质效率。本文简化填料结构，以不同形状的波纹板为研究对象，探究波纹板表面薄膜流体流动特征，结合数值计算和实验方法，开展了如下工作:
　　(1)探究了重力驱动下薄膜流体沿倾斜波纹壁面下落的流动现象。使用开源计算流体力学软件OpenFOAM进行薄膜流动模拟，选择基于VOF法的interFoam求解器进行计算。将得到的模拟结果与文献中的实验结果进行对比，验证模型的正确性和可靠性。
　　(2)探究了三种常见波纹板结构—三角形、正弦形和矩形波纹板表面薄膜流动，进行数值模拟分析。对流动过程中薄膜波动振幅、表面轮廓、法向速度分布等重要参数进行对比，得出如下结论:三种波纹结构在相同条件情况下，三角形的波纹结构更有利于传热传质。
　　(3)设计并搭建了用于薄膜流体流动显示的试验系统，实验以甘油和水的混合溶液为研究对象，测量了不同雷诺数时三种波纹结构表面薄膜流体流动状态。薄膜流体自由表面轮廓和流线图与仿真结果进行了对比，进一步验证了模型的正确性和实验装置的合理性。
　　(4)研究了液体表面张力、液相粘度和波纹板倾斜角度对三角形波纹板表面薄膜流动的影响。发现表面张力存在与否可以引起整个流场的改变，所以在仿真计算过程中不能忽略表面张力动量源项，但在一定范围内表面张力大小对流场的影响不明显。液相粘度较小时薄膜厚度较薄，波动较为剧烈;液相粘度较大时薄膜厚度较厚，波动比较平缓。波纹板倾斜角度对薄膜流动有一定的影响，在不同的倾斜角度范围内，将改变薄膜流动发生共振时自由表面长度。
　　(5)研究了三角形、矩形波纹板几何结构尺寸改变和矩形波纹板倒角形状存在与否对薄膜流动的影响。雷诺数相同时，三角形波纹板和矩形波纹板的ξ值（高度与波长之比）越小薄膜波动越明显。对于矩形波纹板结构来说，有倒角存在的情况下矩形波纹板薄膜波动更明显。
　　(6)基于以上结果，进一步探讨了新型结构—梯形波纹板和锯齿形波纹板表面薄膜流体流动现象。发现梯形波纹板表面薄膜流体流动特性介于矩形板和三角形板之间。对于锯齿形波纹板这种新型波纹结构来说，薄膜波动情况明显比三角形和矩形波纹板薄膜波动情况好，具有良好的薄膜波动特性，是一种值得考虑的新型填料结构。

目录

声明

致谢

摘要

图录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 薄膜流动

1．2．2 规整填料表面传热传质研究

1．3 研究内容

第2章 薄膜流动数值模型

2．1 数值模型

2．1．1 物理模型

2．1．2 数学模型

2．1．3 OpenFOAM软件简介

2．1．4 数值计算方法

2．2 与文献结果对比

2．2．1 流线比较

2．2．2 平均薄膜厚度比较

2．3 本章小结

第3章 常见波纹板结构薄膜流动分析

3．1 模型介绍

3．1．1 物理模型

3．1．2 数学模型

3．1．3 仿真模型

3．2 计算结果与讨论

3．2．1 几个重要指标

3．2．2 薄膜波动性分析

3．2．3 薄膜速度分布

3．2．4 共振现象分析

3．2．5 液相参数对薄膜流动的影响

3．3 薄膜流体流动显示实验

3．3．1 实验原理

3．3．2 实验系统组成

3．3．3 实验步骤

3．3．4 仿真结果与实验结果对比

3．4 本章小结

第4章 新型波纹板结构的研究

4．1 矩形波纹结构参数的影响

4．1．1 矩形波纹板尺寸对薄膜流动的影响

4．1．2 矩形波纹板倒角对薄膜流动的影响

4．2 三角形波纹结构参数的影响

4．3 梯形波纹结构的研究

4．3．1 物理模型

4．3．2 数学模型和数值计算方法

4．3．3 结果分析

4．4 锯齿形波纹结构的研究

4．4．1 物理模型

4．4．2 数学模型和数值计算方法

4．4．3 结果分析

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

硕士期间发表主要论文