试析运动微液滴表面瞬态传质研究

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1、四川大学博士学位论文运动微液滴表面瞬态传质研究姓名：关国强申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：朱家骅20040428运动微液滴表面瞬态传质研究化学工程专业研究生:关国强导师:朱家胖教授气雾两相流瞬态传质现象广泛存在于多相反应器、燃烧、空气污染物控制和大气运动等化工、环境和气溶胶科学领域。随着喷雾干燥，化学气相沉积，等离子体反应设备等化工技术的深入发展，气雾两相流的传质理论和应用得到的极大地丰富，同时由于液雾特征尺寸为微米量级，属于气溶胶，因此成为化学工程与气溶胶科学交叉领域新的增长点。由于雾粒特征尺度为微米量级，因而具有比传统气液接触体系大得多的比表面积，换言之，气雾两相流

2、比传统气液体系具有更大的传质面积;另外由于雾粒粒径尺度很小，因而更容易分散在空间以形成高分散体系，从而进一步促进气雾接触，因此气雾两相流具有优异的传质特性.为进一步强化并利用此体系的传质性质，推进其工程技术的应用，有必要深入研究此体系的瞬态传质性质，为此本文试图从理论角度分析此类瞬态传质现象，并通过计算模拟预测其传质影响。气雾两相流中雾粒的振动现象是广为存在的，雾粒的振动与流体运动相互影响，实践表明雾粒振动能强化其传质，为此有必要研究雾粒振动下的气雾两相流传质，但由于问题的复杂性，其基础理论尚不充分，特别是对于中等振幅(振幅为几倍到几十倍雾粒直径)中等频率(几十到几百赫兹)的雾粒

3、振动下的气雾两相传质尚无确切的理论指导。为此本文首先应用准稳态假设，建立静止气体介质中振动微液滴的传质模型，在轴对称条件下，应用此传质模型得到简化的传质控制方程及其边界条件，进而导出了传质速率和无因次传质系数Sherwood数的关联式。采用ElectrodynamicBalance(EDB)中十二烷醇微米级液滴在氮气介质中的一维拟简谐振动蒸发传质实验结果验证上述理论结果，结果表明。理论预测的Sherwood数与实验结果的平均误差为39.5%，明显优于己有的理论关联结果(其平均误差为50.3%).为进一步研究振动条件下的传质瞬态特征，本文在上述理论基础上，提出静止气体介质中振动微液

4、滴的瞬态传质模型，根据此瞬态传质模型，分别从坐标变换和微元衡算两个不同的途径得到共同的轴对称下的瞬态传质控制方程及其初始/边界条件，进而导出其相应的瞬时Sherwood数关联式，其理论预测的Sherwood数与EDB传质实验结果的平均误差仅为9.2%，说明瞬态传质模型能较好的反映EDB传质实验中气雾传质现象。模拟结果进一步分析表明，在EDB中较高频率下的振动传质，其浓度分布存在一个固定的区域，而在较低的频率下，其浓度分布与没有周期运动的传质分布相类似:进一步指出瞬时Sherwood数随时间成周期性变化的瞬态特征，其变化周期为流动变化周期的1/20湍流下的气雾两相流在工程技术中有广

5、泛的应用，特别是对于高剪切高分散体系，受到许多学者的重视，特别是对于在化工中具有广泛应用前景的低温等离子体工艺，高速射流中的雾粒体系能满足低温等离子体活性寿命时间的要求，然而对于此类体系优异传质效能的理论研究并不充分，为此本文还研究了湍流气体射流中的雾粒运动与传质过程。采用可近似为传质控制的氢氧化钠雾粒与二氧化碳气体中和反应体系作为模拟，着重考察了雾粒表面的传质现象与雾粒运动。在湍流颗粒分散框架下，建立了决定性分离流(DSF)模型，并基于MonteCarlo方法的思想，开发出相应的模拟方案，从而模拟了高速射流中侧向引入的雾粒运动与传质现象。模拟结果表面传质时间比雾粒的弛豫时间更短

6、，对于典型的射流出口速度为142m/s的气体中平均粒径为1011m的雾粒，其弛豫时间为0.45ms，而传质时间为0.16ms，这样的传质效能是传统气液接触方式无法达到的，同时也是满足低温等离子体活性寿命时NJms量级的要求，充分说明其高剪切高分散体系的优异传质效能。模拟结果进一步表明传质对雾粒运动的影响可以忽略。为验证模拟结果，本文进行了由Laval喷管产生的高速射流中侧向引入雾粒运动学实验，通过激光Doppler测速仪测得的雾粒运动速度与计算模拟结果一致，其速度侧型可近似为Gauss分布。综上所述，本文进行了如下工作:(功首次提出了适用于中等振幅与频率的微液滴瞬态传质模型并导出

7、传质速率和Sherwood数的机理性关联方程;(2)应用本文提出的瞬态传质模型首次成功地预测了FDB内十二烷醇微米级液滴在氮气介质中的一维拟简谐振动蒸发传质实验结果，其Sherwood数的平均偏差仅为92%，明显优于前人基于准稳态分析所得的结果〔平均偏差为50.3%);了1、t.︶了首次提出振动微液滴的瞬时传质Sherwood数随时间具有周期性变化的特征，进而指出Sherwood数的变化周期为微液滴振动周期的1/2的规律:Z4、‘J、应用DeterministicSeparate