波紋板結構對薄膜流動特性的影響研究

李 杰 洪偉榮 郭雅瓊

(浙江大學化學工程與生物工程學院 化工機械研究所)

波紋板結構對薄膜流動特性的影響研究

李 杰*洪偉榮 郭雅瓊

(浙江大學化學工程與生物工程學院 化工機械研究所)

對3種結構(矩形、梯形和三角形)的波紋板薄膜流動進行數值計算，研究了波紋結構對薄膜流動特性的影響。數值計算使用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。研究發現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的關聯性，研究結論可以為填料結構設計提供理論依據。

填料塔 波紋板結構 薄膜流體 VOF OpenFOAM 傳質效率

規整填料塔是近年來在精餾和吸收過程中得到廣泛應用的一類氣液接觸傳質設備[1]，規整填料塔因其結構簡單、效率高、壓降低、填料易用及耐腐蝕等優點，廣泛應用于化工、石油等過程工業中。盡管規整填料塔在很多領域已經成功應用，但目前填料塔的設計和計算仍處于經驗與半經驗階段，主要原因是人們對規整填料塔內部實際發生的很多現象缺乏深入認識，而且填料塔內填料種類繁多、材料各異、結構不同，使得填料結構也呈現出多樣性和隨機性。宏觀上對填料塔內流體流動和傳熱傳質進行計算，結果往往非常不準確；采用數值模擬的方法對塔內所有細節行為進行預測，遠超出了人類計算機現有的計算能力。學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、傳熱傳質性能，進而掌握氣液相流體在填料上流動分布規律，確定影響流體流動形態變化的因素，然后進一步擴展到多片填料實體物理模型，進而估算整塔效率并給出整塔設計參數[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，該理論假設薄膜表面平滑，忽略氣液界面剪應力，分析沿平板下落的薄膜流動，得出了薄膜厚度和雷諾數的準則關系式，忽略了薄膜波動。此后大量的學者對傾斜平板表面薄膜流體的穩定性、自由表面孤立波等現象進行了研究[4～6]。學者們發現波紋表面薄膜流動傳熱傳質效率更高，逐步展開波紋結構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]結構表面的薄膜流動，但這些研究都是針對某一特定波紋結構，并沒有綜合考慮波紋結構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種波紋結構上薄膜流動為研究對象，探究波紋結構對薄膜流動特性和傳熱傳質的影響，綜合比較波紋板結構對流動的影響，并分析流動特性與氣液兩相間傳質的聯系。

1 數值模型

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 數學模型和數值計算方法

1.2.1數學模型

氣-液逆流薄膜流動屬于氣-液兩相分層層流流動，采用VOF界面追蹤技術進行自由界面位置捕捉，VOF法的優點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

計算域內流體的密度和粘度，采用兩種流體的體積分數的加權平均進行計算，下標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0 <α< 1時，單元內部分填充液相，這意味著液體和氣體相之間存在一個自由表面。

1.2.2數值模型

(6)

3種波紋板除去結構特征不同外，其他條件均一致。波紋板上薄膜流體數值模型如圖2所示，數值模型邊界條件定義見表1。

圖2 波紋板上薄膜流體數值模型

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 模型驗證

為驗證OpenFOAM模型的可靠性，建立并搭建實驗臺，比較數值仿真與實驗結果。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，運動粘度為10mm2/s；氣相均為空氣。當雷諾數為20時，薄膜流動狀態的數值仿真和實驗結果如圖3所示。其中左圖為數值仿真結果，右圖為實驗結果。

a. 矩形波紋板 b. 三角形波紋板

從圖3可以看出，兩種波紋結構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，驗證了數值模型的正確性。

3 數值仿真結果與流場對比

對薄膜流動進行仿真計算，得到3種波紋板的流場隨雷諾數的變化情況(圖4)。

a. 三角形波紋板

b. 梯形波紋板

c. 矩形波紋板

薄膜波動隨雷諾數的增長先成正比增長達到最大，然后液膜波動減弱；同時三角形、梯形波紋結構上薄膜的漩渦先變大后變小直至消失，后隨雷諾數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，且漩渦發展與雷諾數基本不相關。雷諾數為30時，3種波紋結構表面薄膜波動最為劇烈，自由表面長度最長，此時為傳熱傳質提供了最大的接觸面積。

對薄膜流動進行定量分析，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可知三角形波紋結構的薄膜平均厚度最小，對傳熱傳質的阻力最小；同時液膜波動相對幅值和自由表面長度均較大，為傳熱傳質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介于兩者之間。考慮到傳熱傳質因素，可以認為三角形波紋板結構是這3種波紋板中最優的結構類型。

圖5 平均薄膜厚度的比較

圖6 自由表面長度的比較

4 結束語

筆者首先通過數值仿真計算結果與實驗結果進行對比，驗證了模型的正確性；然后建立了3種不同波紋結構上薄膜流動數值模型，波紋結構進行數值計算，并對薄膜流動特性進行分析。涉及薄膜傳熱傳質的參數主要是兩相接觸面積和停留時間，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。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，研究結果發現一定雷諾數范圍內，三角形波紋板波動薄膜波動最為劇烈，自由表面長度最長，同時薄膜厚度也最薄，因此規整填料中三角形波紋板結構是最優的板結構，矩形結構較差，梯形結構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)