气液传质过程中Marangoni效应的模拟及实验研究

由热量传递和质量传递引发的Marangoni效应对化学工程领域有着重要的影响，在吸收（传质）过程中，研究人员发现了边缘区由于液体浸润特性和Marangoni效应耦合作用产生的凸起结构、发现了自身浓度变化所产生的强烈的Marangoni效应。而这些问题，至今还未得到完美的解释。本项目从认识Marangoni效应的微观机理和作用机制出发，以甲醇液膜吸收二氧化碳为对象，对伴有Marangoni效应的吸收过程进行模拟和实验研究。建立甲醇液膜吸收二氧化碳的数学模型并进行计算，利用PIV系统对液滴内部的流场进行观察，在研究过程中考虑液体浸润特性、气体来流速度和浓度等因素对传质过程的影响，并探讨吸收过程中浸润特性与浓度Marangoni效应的耦合机理和传质方程的物理作用机制。希望藉此对Marangoni效应有更深的了解，对气液传质设备的开发、设计和优化提供理论依据和重要参考。

由热量传递和质量传递引发的Marangoni效应对化学工程领域有着重要的影响，探究单气泡和液滴的动力学特征及传质机理，可以为科学设计放大气液传质设备提供重要依据。项目首先采用level set方法模拟计算了可变体积的气泡在剪切变稀流体中的非稳态溶解传质过程，研究了不同浓度CMC溶液及不同气泡直径对传质过程的影响，模拟结果与实验结果吻合。和单液滴传质相比，气液两相传质边界层更薄，拖尾现象也更加明显。在模拟二维传质marangoni效应的过程中，为了克服数值扩散严重以及计算量大的问题，仅在虚拟边界层内使用Semi-Lagrangian 对流格式，在其他区域采用欧拉方法求解对流扩散方程，采用了Semi-Lagrangian 对流格式之后运算效率更高，计算结果和实验值更加吻合。在传质初期，传质系数得到有效提升（2-3倍）。然而随着时间的增加，传质系数也随之降低，逐渐接近Marangoni效应不存在的情况，甚至更低。在三维传质marangoni效应的研究过程中，模拟计算了正丁醇-丁二酸-水体系的单液滴运动及非稳态传质过程。随着液滴半径的增加，液滴的变形加剧，终端速度的预测偏差增大。在传质开始的初期（t=0.07 s），界面处浓度梯度大，传质系数高。相界面处速度出现波动现象，将表面高浓度液体迅速扫向尾部，导致第一个高浓度区的脱离（t=0.10s，t=0.20s）。此时，液滴运动方向也发生偏离，尾流的对称性发生改变，偏向中轴线下侧。这一现象导致液滴尾部第二个高浓度区的形成。和文献相比，此结果趋势是正确的。