基于格子Boltzmann方法的Rayleigh對流及其對界面?zhèn)髻|(zhì)影響的研究.pdf

1、在界面?zhèn)髻|(zhì)過程中,若近界面?zhèn)鬟f組分的濃度梯度所導致的密度梯度與重力作用方向相反,會產(chǎn)生Rayleigh不穩(wěn)定,此時若存在界面擾動,則會引發(fā)Rayleigh對流。這種對流現(xiàn)象會對界面?zhèn)髻|(zhì)產(chǎn)生重要影響。針對氣液界面?zhèn)髻|(zhì)過程,本文建立了用于液相Rayleigh對流模擬的二維非穩(wěn)態(tài)帶有雙分布模型的格子Boltzmann方法(LBM),并輔以紋影儀定性觀察和粒子成像測速儀(PIV)定量測量實驗,旨在研究界面失穩(wěn)現(xiàn)象、液相Rayleigh對流的特征

2、及其對界面?zhèn)髻|(zhì)的影響。
　　首先,以乙醇吸收CO2傳質(zhì)過程為研究對象,應用所建立的LBM,對界面上具有離散和連續(xù)高濃度CO2擴散源引發(fā)的Rayleigh對流現(xiàn)象進行了模擬,結(jié)果顯示,模擬得到的濃度分布結(jié)構(gòu)與采用紋影儀觀測結(jié)果相一致。通過考察Rayleigh對流和濃度分布結(jié)構(gòu),分析了Rayleigh對流存在條件下的傳遞規(guī)律。針對單個溶質(zhì)擴散源引發(fā)的Rayleigh對流,建立了相應的氣液傳質(zhì)實驗裝置,結(jié)果發(fā)現(xiàn),速度分布的LBM模擬結(jié)果

3、與PIV實驗測量結(jié)果吻合較好。
　　其次,以水平初始靜止液體吸收CO2傳質(zhì)過程為對象,建立了描述界面擾動的隨機擾動模型來研究Rayleigh對流開始的臨界參數(shù)。結(jié)果表明,隨機濃度擾動模型參數(shù):局部擾動概率P和濃度擾動大小CD存在一個合適的取值區(qū)間(0.05≤P≤0.3,0

4、參數(shù)對濃度分布結(jié)構(gòu)及界面?zhèn)髻|(zhì)基本無影響。為了進一步驗證該模型正確性,建立了一套非穩(wěn)態(tài)吸收實驗裝置,針對CO2-乙醇吸收過程,Rayleigh對流的臨界開始時間的LBM模擬結(jié)果與紋影儀觀察結(jié)果相符。
　　最后,應用隨機濃度擾動模型(P=0.1,CD=10-12 kg·m-3)并考慮壁面阻力研究了CO2-乙醇吸收過程和異丙醇-水及丙酮-乙酸乙酯溶液解吸過程Rayleigh對流的特征及其對界面?zhèn)髻|(zhì)的影響,并對Rayleigh對流的特征進

5、行了實驗驗證。結(jié)果表明,Rayleigh對流主要作用于液相主體,使得液相主體具有較大的湍動速度(10-4~10-3 m·s-1);液相主體中存在許多循環(huán)流動和漩渦,促進了界面更新以及界面與液相主體之間液體的交換與混合;羽狀對流結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從有序到無序的發(fā)展過程,是不斷更新的耗散結(jié)構(gòu);傳質(zhì)增強因子表明Rayleigh對流能夠有效地提高吸收和解吸過程傳質(zhì)速率,強化界面?zhèn)髻|(zhì)過程。本文對伴有Rayleigh對流的傳質(zhì)模型進行了分析,提出了將近界面