李 杰 洪偉榮 郭雅瓊

(浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院 化工機(jī)械研究所)

波紋板結(jié)構(gòu)對薄膜流動特性的影響研究

李 杰*洪偉榮 郭雅瓊

(浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院 化工機(jī)械研究所)

對3種結(jié)構(gòu)(矩形、梯形和三角形)的波紋板薄膜流動進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究了波紋結(jié)構(gòu)對薄膜流動特性的影響。數(shù)值計(jì)算使用OpenFOAM 軟件中基于 VOF(Volume of Fluid)法的多相流求解器，得到3種波紋板薄膜自由表面位置。研究發(fā)現(xiàn)三角形波紋板薄膜波動特性最佳，矩形最次；并且分析了薄膜流動與相間傳熱傳質(zhì)的關(guān)聯(lián)性，研究結(jié)論可以為填料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

填料塔 波紋板結(jié)構(gòu) 薄膜流體 VOF OpenFOAM 傳質(zhì)效率

規(guī)整填料塔是近年來在精餾和吸收過程中得到廣泛應(yīng)用的一類氣液接觸傳質(zhì)設(shè)備[1]，規(guī)整填料塔因其結(jié)構(gòu)簡單、效率高、壓降低、填料易用及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、石油等過程工業(yè)中。盡管規(guī)整填料塔在很多領(lǐng)域已經(jīng)成功應(yīng)用，但目前填料塔的設(shè)計(jì)和計(jì)算仍處于經(jīng)驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)階段，主要原因是人們對規(guī)整填料塔內(nèi)部實(shí)際發(fā)生的很多現(xiàn)象缺乏深入認(rèn)識，而且填料塔內(nèi)填料種類繁多、材料各異、結(jié)構(gòu)不同，使得填料結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出多樣性和隨機(jī)性。宏觀上對填料塔內(nèi)流體流動和傳熱傳質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果往往非常不準(zhǔn)確；采用數(shù)值模擬的方法對塔內(nèi)所有細(xì)節(jié)行為進(jìn)行預(yù)測，遠(yuǎn)超出了人類計(jì)算機(jī)現(xiàn)有的計(jì)算能力。學(xué)者們普遍提出了多尺度分析的思路，建議從微觀角度研究填料塔內(nèi)局部薄膜流動特性，將填料上流體流動簡化為重力作用下傾斜平板或波紋板表面薄膜流動。從微觀角度來研究傾斜板表面薄膜流動特性、傳熱傳質(zhì)性能，進(jìn)而掌握氣液相流體在填料上流動分布規(guī)律，確定影響流體流動形態(tài)變化的因素，然后進(jìn)一步擴(kuò)展到多片填料實(shí)體物理模型，進(jìn)而估算整塔效率并給出整塔設(shè)計(jì)參數(shù)[2]。

對薄膜流動研究最早可以追溯到1916年Nusselt W的理論研究[3]。Nusselt理論是極其理想化的模型，該理論假設(shè)薄膜表面平滑，忽略氣液界面剪應(yīng)力，分析沿平板下落的薄膜流動，得出了薄膜厚度和雷諾數(shù)的準(zhǔn)則關(guān)系式，忽略了薄膜波動。此后大量的學(xué)者對傾斜平板表面薄膜流體的穩(wěn)定性、自由表面孤立波等現(xiàn)象進(jìn)行了研究[4～6]。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)波紋表面薄膜流動傳熱傳質(zhì)效率更高，逐步展開波紋結(jié)構(gòu)板表面的薄膜流體流動研究，起初是Wang C Y于 1981 年開始的[7]。對波紋板薄膜流動研究涉及正弦形波紋板[8]、矩形波紋板[9]和三角形波紋板[10,11]結(jié)構(gòu)表面的薄膜流動，但這些研究都是針對某一特定波紋結(jié)構(gòu)，并沒有綜合考慮波紋結(jié)構(gòu)因素對薄膜動力特性的影響。因此筆者以三角形、梯形和矩形3種波紋結(jié)構(gòu)上薄膜流動為研究對象，探究波紋結(jié)構(gòu)對薄膜流動特性和傳熱傳質(zhì)的影響，綜合比較波紋板結(jié)構(gòu)對流動的影響，并分析流動特性與氣液兩相間傳質(zhì)的聯(lián)系。

1 數(shù)值模型

1.1 物理模型

考慮重力作用下薄膜沿傾斜波紋板表面流動，幾何模型如圖1所示。Φ為波紋板水平方向與水平面的夾角，3種波紋板波長λ均為10mm，波紋板振幅a均為1mm。

a. 三角形波紋板

b. 梯形波紋板

c. 矩形波紋板

1.2 數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法

1.2.1數(shù)學(xué)模型

氣-液逆流薄膜流動屬于氣-液兩相分層層流流動，采用VOF界面追蹤技術(shù)進(jìn)行自由界面位置捕捉，VOF法的優(yōu)點(diǎn)是可以精確地模擬薄膜自由表面波動，特別適合有明顯相界面的流場。

(1)

(2)

(3)

其中，κ為表面曲率，σ為表面張力。外法向矢量n和表面曲率κ定義為：

n=(nx,ny)=-▽α

計(jì)算域內(nèi)流體的密度和粘度，采用兩種流體的體積分?jǐn)?shù)的加權(quán)平均進(jìn)行計(jì)算，下標(biāo)l和g 分別代表液相和氣相：

ρ=αρ1+(1-α)ρg

(4)

μ=αμ1+(1-α)μg

(5)

其中，α為液相體積分率，α定義如下：

當(dāng)0 <α< 1時(shí)，單元內(nèi)部分填充液相，這意味著液體和氣體相之間存在一個(gè)自由表面。

1.2.2數(shù)值模型

(6)

3種波紋板除去結(jié)構(gòu)特征不同外，其他條件均一致。波紋板上薄膜流體數(shù)值模型如圖2所示，數(shù)值模型邊界條件定義見表1。

圖2 波紋板上薄膜流體數(shù)值模型

邊界條件速度u壓力p液相體積分率α液相入口固定值(ut00)零梯度固定值1空氣入口零梯度零梯度零梯度液相出口固定值(ut00)零梯度零梯度空氣出口零梯度零梯度零梯度壁面固定值(000)零梯度固定接觸角θ=90°大氣壓力入口速度出口總壓力p0=0零梯度

2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證OpenFOAM模型的可靠性，建立并搭建實(shí)驗(yàn)臺，比較數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。兩種方法中液相材料均使用二甲基硅油，其表面張力為20.1mN/s，密度為0.94g/cm3，運(yùn)動粘度為10mm2/s；氣相均為空氣。當(dāng)雷諾數(shù)為20時(shí)，薄膜流動狀態(tài)的數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。其中左圖為數(shù)值仿真結(jié)果，右圖為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

a. 矩形波紋板 b. 三角形波紋板

從圖3可以看出，兩種波紋結(jié)構(gòu)表面薄膜流體流動情況比較吻合，薄膜波動和薄膜輪廓都基本吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性。

3 數(shù)值仿真結(jié)果與流場對比

對薄膜流動進(jìn)行仿真計(jì)算，得到3種波紋板的流場隨雷諾數(shù)的變化情況(圖4)。

a. 三角形波紋板

b. 梯形波紋板

c. 矩形波紋板

薄膜波動隨雷諾數(shù)的增長先成正比增長達(dá)到最大，然后液膜波動減弱；同時(shí)三角形、梯形波紋結(jié)構(gòu)上薄膜的漩渦先變大后變小直至消失，后隨雷諾數(shù)的增大而增大直至保持不變，而矩形波紋板薄膜始終存在漩渦，且漩渦發(fā)展與雷諾數(shù)基本不相關(guān)。雷諾數(shù)為30時(shí)，3種波紋結(jié)構(gòu)表面薄膜波動最為劇烈，自由表面長度最長，此時(shí)為傳熱傳質(zhì)提供了最大的接觸面積。

對薄膜流動進(jìn)行定量分析，后處理得到薄膜平均厚度、薄膜自由表面長度和薄膜相對波動幅值，相對波動幅值的定義是指薄膜波動中幅值A(chǔ)與波紋壁面振幅a之比，即A/a。平均薄膜厚度、自由表面長度和薄膜相對波動幅值分別如圖5～7所示。

由圖5～7可知三角形波紋結(jié)構(gòu)的薄膜平均厚度最小，對傳熱傳質(zhì)的阻力最?。煌瑫r(shí)液膜波動相對幅值和自由表面長度均較大，為傳熱傳質(zhì)提供了最大的接觸面積。矩形波紋板薄膜厚度最厚、波動最不明顯。梯形波紋板上薄膜漩渦發(fā)展兼具了三角形波紋板和矩形波紋板的特征，可觀察出梯形波紋板表面薄膜流動狀態(tài)介于兩者之間?？紤]到傳熱傳質(zhì)因素，可以認(rèn)為三角形波紋板結(jié)構(gòu)是這3種波紋板中最優(yōu)的結(jié)構(gòu)類型。

圖5 平均薄膜厚度的比較

圖6 自由表面長度的比較

4 結(jié)束語

筆者首先通過數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了模型的正確性；然后建立了3種不同波紋結(jié)構(gòu)上薄膜流動數(shù)值模型，波紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并對薄膜流動特性進(jìn)行分析。涉及薄膜傳熱傳質(zhì)的參數(shù)主要是兩相接觸面積和停留時(shí)間，此外較薄的薄膜厚度減少兩相間傳遞阻力有利于傳熱傳質(zhì)。筆者比較了不同波紋板上薄膜波動振幅、薄膜平均厚度和自由表面長度的情況，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，三角形波紋板波動薄膜波動最為劇烈，自由表面長度最長，同時(shí)薄膜厚度也最薄，因此規(guī)整填料中三角形波紋板結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的板結(jié)構(gòu)，矩形結(jié)構(gòu)較差，梯形結(jié)構(gòu)介于三角形和矩形之間。

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StudyonStructureEffectofCorrugatedPlatesonFilmFlowCharacteristics

LI Jie, HONG Wei-rong, GUO Ya-qiong

(CollegeofChemicalandBiologicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

The film flow of the rectanglar, triangular and trapezoidal corrugated plates was simulated respectively, including the study of their structures’ influence on film flow characteristics. In numerical calculation, the VOF-based multi-phase flow solver in OpenFOAM software was adopted to analyze film’s free-surface position. The study shows that film’s fluctuation characteristic of triangular corrugated plate is the best, then comes to the trapezoidal type and rectangular type in turn. The relationship between flow property and heat and mass transfer was studied to provide theoretical basis for designing the packing structure.

packed tower,corrugated plate structure, film flow, VOF, OpenFOAM, mass transfer efficiency

TQ053.5

A

0254-6094(2016)01-0063-05

*李 杰，女，1990年8月生，碩士研究生。浙江省杭州市，310027。

2014-12-24，

2016-01-12)