薄膜形成，流动特性和传质基础研究

薄膜流动在工程热物理、材料制备和化学工程等工业领域有着非常广泛的应用，尤其是圆形曲面上的液体薄膜，它是一种简单的低速开式流动，本课题采用实验和理论相结合的方法研究液体薄膜形成、流动特性及传质性能，实验研究过程主要采用非接触、无干扰测试技术，观察和记录三种不同黏度的液体在圆形曲面上薄膜的形成和流动特性；采用线性稳定性模型理论模拟和解释薄膜流动的初始演化过程，对于薄膜流动的中后期演化情形，可以适当采用长波近似方程和积分边界层方程，为了克服这些模型方程所带来的弱非线性饱和及三维二次失稳等现象，而进一步采用以拉格朗日观点为出发点的有限元方法直接数值模拟的手段来预测和解释薄膜流动中的现象。对薄膜流动传质过程的机理进行新的审视和探索，应用相关基础和前沿科学的最新理论和方法，建立更符合实际情况的数学物理模型，为工业过程中薄膜传质的设计及预测计算提供理论依据和有效手段。

本课题采用实验和理论相结合的方法研究液体薄膜的形成、流动及传质性能，分别对平板和圆形曲面上的液体薄膜的形成进行了非接触的无干扰测试，对平板液膜的波峰和波谷及液膜的形变等方面随周期性扰动及扰动频率的影响进行了实验和模拟研究；对于平板上液膜的传质特性，主要以平板为应用背景的板式膜组件的传质过程进行了研究。对圆形曲面上液膜的连续性和液膜厚度采用电学测量法进行测量，根据蒸发壁面上液膜分布对导电性的影响，通过对电压信号的分析，总结出判断壁面液膜连续性的判据：各点的电压必须非零且分布均匀；波动较大。根据液膜厚度与导电溶液电阻值之间的关系，得到了壁面上液膜的平均厚度在0.01mm数量级；使用响应曲面法对实验数据进行处理，得到并验证了液膜厚度的二阶经验关联式。对圆形曲面上液体的停留时间分布（RTD），分别以纯水及质量分数分别为50%、70%的丙三醇-水溶液为介质，采用脉冲示踪法与紫外分光光度法进行实验研究，分别研究了进料速率、转子转速及物料黏度对停留时间分布的影响。为了探究圆形曲面设备中液膜的流动状况，以凹形曲面分子蒸馏为例，使用计算流体力学软件FLUENT6.3 对液膜特性进行模拟，分别考察了刮膜器的形状、转子转速、转子半径、转子与壁面间的缝隙等因素对不同黏度流体的液膜均匀程度和湍流程度的影响。结果表明圆形转子和倾斜刮板有助于液体在蒸发壁面上形成均匀分布的薄膜，因此更适合于分子蒸馏过程：转子的结构参数对高黏度物料的流动状况的影响更为显著，在一定范围内高黏度物料的均匀度和湍流度都随转子半径和缝隙的增大而增大。