液滴撞击不锈钢丝网的流动与分散过程CFD模拟

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作为一种新型多相流反应器,旋转填充床(Rotating Packed Bed,简称RPB)具有优越的多相传质性能,约比填料塔等大1~3个数量级。以应用广泛的不锈钢丝网填料为例,液体在RPB内被旋转填料捕捉、剪切、破碎为细小的液滴、液线和液膜等,气液接触面积显著增加,且气液界面不断更新,有利地强化了传质过程。由于填料速度大且不透光、液体特征尺寸小等,基于光学拍照的流体流动可视化技术对于填料内部液滴与丝网间相互作用和分散机制仍然认识不清,严重阻碍了RPB内丝网填料的设计与优化。基于此,本文建立了与真实丝网一致的单层编织型丝网物理模型,采用计算流体力学(CFD)模拟方法研究了液滴撞击不锈钢丝网的流动与分散过程。基于液滴撞击丝网的CFD模拟结果,对比了相同实验条件下可视化实验结果,进而验证本文构建的CFD模拟方法的准确性。探究了液滴初速度、母液滴直径和丝网表面浸润性对液滴分散效果的影响,并研究了不同操作条件对丝网表面液膜微观特征的影响。主要研究内容如下:(1)基于CFD模拟优势,可以获得任意方向的分散锥角和实时气液接触面积,更加精确地评估了液滴分散效果。分散锥角和最终的气液接触面积增加率随着液滴初速度、母液滴直径和丝网表面疏水性的增加而增大。与亲水丝网相比,以相同液滴初速度撞击疏水丝网时,分散锥角提高43~103%,气液接触面积增加率增大1.2~5.1倍;以相同母液滴直径撞击时,分散锥角提高37~62%,气液接触面积增加率平均增大1.6倍。从能量守恒角度进一步揭示了液滴破碎分散强化机制。与亲水丝网相比,液滴撞击疏水丝网总的耗散能占比减少了29%,表明液滴可以将更多的能量转化为液体表面能,使液体分散性能更好。(2)液滴撞击不锈钢丝网填料过程中,液体会在丝网表面形成薄液膜。液膜将进一步分散为液相或者液滴,因此液膜流动形态的认识极为重要。研究表明,液膜在丝网表面的动态行为可分为以下三个步骤:(i)铺展过程;(ii)收缩过程;(iii)稳定或消失过程。与亲水丝网相比,疏水丝网的最终润湿面积大多为零。进一步计算了平均液膜厚度,亲水丝网表面的平均液膜厚度为30.02~77.29μm,疏水丝网表面的平均液膜厚度为41.76~237.37μm。
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