界面对流中的介尺度传质机制及其稳定性条件研究

In this proposal, it is to study the mass transfer mechanism of interfacial convection by experiment, numerical simulation and theory analysis. The interfacial mass transfer that presents complex multi-scale effect is controlled by the coaction of interfacial molecular diffusion and fluid flow adjacent to the interface. By analyzing the flow behaviors and mass transfer characteristics, it is to describe the meso-scale structure characteristics and study the coupling mechanism of molecular diffusion and momentum transfer. On this basis, we are to analyze the primary mechanism for meso-scale, and put forward the stability conditions of meso-scale structure, then establish a meso-scale structure-based convective mass transfer calculation model ultimately. Further, we propose to explore the meso-scale mass transfer mechanism of interfacial convection, and investigate the intrinsic relationship between multiple scales. The method which establishing a meso-scale model system to predict mass transfer rate provides new opportunities for researching the convective mass transfer phenomenon and setting up mass transfer model.

本项目采用实验测量、数值模拟计算与理论分析相结合的方法研究界面对流中的传质机制。受到界面处扩散和近界面处流体流动的共同作用，界面传质过程呈现出复杂的多尺度效应。本项目通过分析界面对流过程中的流动行为和传质规律，描述其中的介尺度结构特征（非均匀的速度和浓度分布），研究分子扩散与动量传递之间的耦合机制。在此基础上，分析介尺度结构的主导机制，提出介尺度结构的稳定性条件，建立基于介尺度结构的对流传质计算模型。进一步探索界面对流中介尺度传质的调控机制，探究小尺度、介尺度与全局尺度的特征参数之间的内在联系。本项目通过提出建立介尺度模型预测系统传质速率的方法，为研究对流传质现象，构建传质模型提供了新的思路。

以Rayleigh对流为代表的界面对流现象显著影响多相传质过程的传质速率，本项目以此为研究对象，首先评估了基于有限体积法、单松弛时间格子玻尔兹曼方法（SRT-LBM）和多松弛时间格子玻尔兹曼方法（MRT-LBM）的计算模型在模拟界面对流现象时的数值精度与稳定性，结果表明MRT-LBM方法具有较小的数值扰动，对界面对流发生的影响较小，能获得合理的计算结果。然后，基于数值模拟结果，分析了对流发生之后流场与浓度场之间的相互作用关系，从非均匀结构的角度分析了流场与浓度场对传质速率的影响，并阐释了传质熵产与黏性耗散两者在界面对流现象发生与发展过程中的关系，指出了两者对于界面传质的调控机制。最后，基于非均匀结构对于传质的影响，建立了界面对流传质过程的传质模型，提出采用不同的传质模型预测不同传质区域内的传质速率。此外，在MRT-LBM方法的基础上，结合无梯度水平集方法，建立了多相传质设备的多目标拓扑优化方法，为工业传质设备的开发提供了方法。