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旋转液膜反应器是一个以同轴旋转圆台为基本模型的微化学反应器,圆台间隙内充满了不可压缩的粘性流体。对同轴旋转圆台内的流体流动研究到目前已有20余年。目前针对不同初始条件和边界条件对同轴旋转圆台内流体流动的影响已有很多研究成果,不过这些研究成果大多是通过实验研究与观察得到的,而对同轴旋转圆台的理论分析成果相对较少。
本文完善了同轴旋转圆台的数学模型。通过采用两种不同的无量纲化方法推导出了雷诺数Re两种不同的表达形式。分别用这两种Re的表达式计算旋转液膜反应器在不同条件下的雷诺数值,通过数值与实验对比表明Re=dR1Ω1/v这种表达形式更为合理。对N-S方程进行的无量纲化和边界条件齐次化处理,不仅简化了方程和边界条件,而且雷诺数Re的引入,将四维的问题转化为一维的问题,为之后对参数尺寸不同的圆台装置进行理论研究和数值计算对比提供了衡量标准。
对上小下大装置(记为CG1装置)和上大下小装置(记为CG2装置)内的流体流动进行了数值模拟计算。阐述了上小下大装置中Taylor涡的产生过程并给出圆台内流体的流线图。另外还从沿z轴方向和沿半径r方向两个不同的角度对比了两种装置的压力分布。结果显示:在小雷诺数Re时,上小下大装置和上大下小装置沿z轴方向的压力分别呈线性递减和线性递增两种趋势,并且这种变化率均随着Re的增大而增大。通过对沿着半径r方向的压力值进行非线性拟合,发现上小下大装置和上大下小装置中的压力在半径r方向均呈抛物性增长。
针对半径上小下大的CG1装置,对比分析了内、外圆台旋转在不同边界情况下的流体流动情况。模拟结果得出了内圆台旋转优于外圆台旋转,验证了旋转液膜反应器设计的合理性。