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气液传质过程中Marangoni效应的PIV实验研究

作　者: 张会书
导　师: 袁希钢
学　校: 天津大学
专　业: 化学工程
关键词: Marangoni效应 Partical Image Velocimetry(PIV) 气液界面传质 液相速度场
分类号: TQ021.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


Marangoni效应是由表面张力梯度引发和维持的一种界面湍动现象。它常常明显地影响流体的流动状态,从而影响了传质过程。所以,研究Marangoni效应对认识传质机理及开发新型高效的传质设备均有重要意义。本文建立了一套气液传质装置,采用粒子成像测速仪(PIV),对乙醇—二氧化碳、丙酮—二氧化碳、乙酸乙酯—二氧化碳三种体系中二氧化碳解吸过程的Marangoni效应进行了测量,考察了气相流量和Ma数对Marangoni效应的影响。得到了垂直于界面的液相速度场,并对实验结果进行了定性和定量分析。实验结果表明,液相速度场界面处的的速度和湍动能最大,靠近界面处涡量大于液相主体的涡量。随着Ma数增大,速度场的对流漩涡逐渐增多,漩涡也逐渐增大。气液传质阻力通常集中在液层界面处,在伴有Marangoni效应产生的气液传质过程中,由于液相近界面处的涡量及湍动能较大,界面处流体的旋转及湍动程度加大,界面传质阻力减小,故有利于传质进行;随着气相流量的增加,传质推动力增大,导致了表面张力梯度的增加,因此Marangoni效应更加明显。实验结果表明存在Marangoni效应时的流场速度明显大于仅有扩散传质时的速度。另外,计算了传质Peclet数来反映给定流场的液体主体传质与扩散传质的对比关系。根据实验结果计算的Pe值即可判断Marangoni效应何时发生以及Marangoni效应对传质速率的影响程度。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 文献综述  7-21
  1.1 引言  7-8
  1.2 气液传质理论的发展  8-13
    1.2.1 早期经典的传质理论  8-10
      1.2.1.1 Whitman 膜理论  8-9
      1.2.1.2 Higbie 溶质渗透理论  9
      1.2.1.3 Danckwerts 表面更新模型  9-10
    1.2.2 现代修正的传质理论  10-13
      1.2.2.1 膜渗透理论  10-11
      1.2.2.2 漩涡扩散模型  11
      1.2.2.3 界面非平衡理论  11-12
      1.2.2.4 考虑界面湍动现象对传质加强作用模型  12
      1.2.2.5 统计理论与计算机模拟  12-13
  1.3 Marangoni 效应的研究进展  13-17
    1.3.1 传热过程中的Marangoni 效应  13-15
    1.3.2 传质过程中的Marangoni 效应  15-16
    1.3.3 Marangoni 效应的实际应用  16-17
  1.4 粒子成像测速仪PIV  17-20
    1.4.1 PIV 的产生及其特点  17-18
    1.4.2 PIV 的实际应用  18-20
  1.5 本章小结  20-21
第二章 实验方案  21-34
  2.1 选择实验方法  21-23
  2.2 传质模拟盒  23-24
  2.3 PIV 参数设置  24-31
    2.3.1 PIV 测速原理  24-25
    2.3.2 PIV 系统激光  25-26
    2.3.3 PIV 图像采集  26
    2.3.4 PIV 数据处理  26-28
    2.3.5 PIV 流场记录  28-29
    2.3.6 示踪粒子及其布撒  29-31
  2.4 实验流程  31-32
  2.5 PIV 得出的矢量场  32-33
  2.6 本章小结  33-34
第三章 实验结果  34-70
  3.1 乙醇—C0_2 体系中的Marangoni 效应  34-56
    3.1.1 Marangoni 效应的发展过程  35-42
    3.1.2 Marangoni 效应的定量分析  42-48
      3.1.2.1 平均速度的分析  42-44
      3.1.2.2 平均涡量的分析  44-46
      3.1.2.3 平均湍动能的分析  46-48
    3.1.3 气相流量对Marangoni 效应的影响  48-50
    3.1.4 液层厚度对Marangoni 效应的影响  50-56
  3.2 丙酮—C0_2 体系的Marangoni 效应  56-60
  3.3 乙酸乙酯—C0_2 体系的Marangoni 效应  60-63
  3.4 不同体系的Marangoni 效应的比较  63-66
  3.5 表征Marangoni 对流的增强效果  66-70
    3.5.1 有Marangoni 对流与仅有扩散时的速度比较  66-67
    3.5.2 传质过程中Pe 数分析  67-70
第四章 结论  70-73
参考文献  73-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 一般性问题 > 化工过程（物理过程及物理化学过程） > 基础理论 > 扩散、传质过程及原理
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