規整填料上的流體流動：
cfd模擬與實驗研究
文章建立、測試、修正了一種板式規整填料mellapak 兩相逆流的cfd模型。這種模型用來確定液體和氣體流速和流動液體的物理化學性質對規整填料上形成的介面面積的影響。這種cfd模型能讓我們確定最低流速，在這種流速下，填料表面可以觀測到的乙個連續液膜。
模擬表明隨著溼率的增加，被一層液膜覆蓋的填料表面在增加，直到表面被完全覆蓋；而氣液相界面積的進一步微弱變化均是由液膜表面的波動所致。氣體載荷（f因子，氣相動能因子）對膜表面的影響在計算誤差範圍之內。從cfd模擬的結果我們可以**液體流動中成膜階段，從而追蹤區域性速度**、膜厚度和相介面速度分布。
1 引言
近年來很多研究中心研究了規整填料塔內有效傳質面積的確定。
有了一些用來確定氣液系統有效傳質面積的實驗模型。總體來說，可以區分為化學和物理方法。其中應用最多的是化學方法。
文獻中有許多用來**規整填料上的有效傳質面積的理論的，半經驗的和經驗模型。在這些模型中應用到確定填料上的壓降、持液量、有效傳質面積等等的關係。這些模型不斷發展，然而，對於不同的媒介和非穩態情況，結果則顯示的模稜兩可。
在部分研究當中，一些引數對傳質面積的影響被忽略了，假定它相對於其他引數的影響是非常小的，然而一些作者卻表示這是乙個在整個過程中起著主導影響的引數。
文獻中假設介面面積比填料便面積小【1-3】而且只有液相在更大的負載下才會等於或者稍大於填料表面積。但是在一些研究當中，作者表示介面面積可以明顯大於填料表面積【4】。
同樣對於氣相負荷對介面面積的影響也沒有明確的觀點。一些作者忽略這個引數的影響【3】，一些作者宣告這種影響的重要性【5,6】。
最近，文獻數次嘗試用計算流體動力學（cfd）方法建立介面面積模型【7-10】。
用cfd的手段對通過規整填料的流動中有效傳質面積進行建模是乙個很困難的任務，因為這種型別的填料上的兩相流的水動力學是極其複雜的。液體只在如下槽道中才不會流動，液體**到這種槽道，但是流進了其他槽道，與鄰近的流注混合或者流到最近的板上，等等【11,12】。這種現象的複雜機制導致了至今cfd模型的發展僅限於單相系統的分析【8,9】。
2 目標
研究的主要目的是建立乙個cfd模型，這種模型能讓我們確定通過規整填料的逆流的氣液介面面積。這種cfd模型的目標是確定流動相介面面積的影響以及確定填料被完全覆蓋時的最低相流速。
與文獻中描述的單向流模型相反，本研究的目的是建立乙個兩相流模型，它不僅可以確定相介面面積，而且可以分析不同幾何結構和微觀結構的規整填料上流動中液滴的形成和液膜破裂的機制。
根據有關介面面積的文獻的差異和爭論，為了校對這種模型，我們設計和實施了自己的規整填料上相流動的實驗研究。
3 模型
用fluent 5.4軟體包做了這種分析【13】。建模物件是近年來工業中應用最常用的典型板式規整填料mellapak 對兩平板或者波紋板之間的槽道裡具有自由液面的非穩態兩相流做了大量的模擬。
板間距是12mm，他們的長度是198mm，與mellapak 250y填料相對應。液體通過乙個0.5mm的垂直於濕板的洞**到模型系統的上部。
氣體從底部引入與液體逆向流動。假定只有1個濕板。模型系統的幾何形狀如圖1.
數值計算程式如下：首先，假定氣體充滿整個區域。出口設定恆定液體流速，與要求的液體流速相對應，流動被初始化，在非穩態下進行模擬，直到達到擬穩定態。
下一步是將氣體**到整個區域並對媒介的逆流進行建模。為了引導氣體與流動液體逆向流動，我們假定氣相入口和出口有不同的壓力。
與所需的氣體流速（由f因子表述）相對應的所需壓差值由反覆實驗法確定。平板的計算網格包括14640個節點，波紋板包括19900個節點。模擬中應用乙個結構上的矩形網格。
為了精確的確定介面面積，在相接觸區域網格更加密集。在兩種情況下，在管道頂部液體都是垂直於板來提供的。
研究中建立了乙個兩相逆流的甲苯-空氣和水-空氣模型。應用的媒介的物理化學性質實在20℃和1標準大氣壓下確定。由於模型流動可能的不連續性，即液滴形成和膜破裂，所以計算在非穩態狀況下進行。
當計算達到擬穩定狀態時停止，即系統各點的相流動速度都不再變化或者在乙個限定的範圍之內**。模擬在不同液體流動速度下進行。分析流動速度的範圍如表1所示。
當水流等於100m3/m2h，甲苯等於30 m3/m2h時，更多模擬在不同f因子（0.6,1.2,2.
4pa0.5）下進行來評估氣體流量對規整填料介面面積的影響。
（a） （b）
圖1.分析的幾何形狀（a）平板，（b）波紋板。
表1.模型中使用的溼率
4 理論計算樣例
從模擬結果我們可以觀察膜形成階段和相流速分布。當液體流下版面初始階段由於重力作用形成乙個液滴然後沿著管道自由流下。這時膜前表面前進，有一液滴形成並分離。
為了評估是否達到穩定狀態，在液膜上的幾個點檢測其速度。當液體流速開始在乙個確定值附近振動時，狀態被視為穩定了，這時計算停止，例如水流速為100 m3/m2h時，實際進行時間為0.8s。
波紋板上流動的計算得到乙個典型的相流速分布如圖3顯示。從圖中可以觀察到每個波紋上速度場相近，即氣體高流速區（板谷）和氣體低流速區（板峰）以近似的方式分布。對每個f因子值可以觀察到近似的速度分布。
在建模的集合體內水-空氣流動模擬的結果顯示在對平板流速為90 m3/m2h，對波紋板流速為100 m3/m2h（假定接觸角為45°）時，液體應該完全覆蓋填料。然而當接觸角為65°時填料表面沒有被覆蓋，即使流速大於100 m3/m2h。因為乙個接觸角度是乙個很強的函式表面性質，它在這項工作中沒有被實驗確定，對水的計算只有定量的特徵。
圖2.在平板上水流動中液膜形成階段
圖3.波紋板上水流動過程中典型的速度場
甲苯流動結果顯示液膜分離時更低的流速，即平板為10 m3/m2h，波紋板為20 m3/m2h。
圖4顯示平板上甲苯液膜厚度的變化時流動方向上距入口距離的函式。溼率為10 m3/m2h（圖4a）觀察到液膜分離。
（a）（b）圖4.液膜厚度：（a）溼率為10m3/m2h，（b）溼率為20m3/m2h
當甲苯流速等於15m3/m2h時會形成乙個很薄的（大約為0.01mm）但連續的液膜（圖4b）。板上膜厚度在流動過程中變化以及表面上的波動很容易觀察到。
當檢測液體流動區域某點的流速時，能報告流動過程中的流速振動。
在cfd模擬中對於甲苯-空氣系統，確定了介面面積與板幾何面積的比率。在二維計算中介面面積不能直接計算出來。但是假如任意橫截面的流**都是相同的，則液膜和填料可以計算出來。
這能夠讓我們確定液膜和模型板得長度的比例。結果顯示自兩種幾何模型的全部表面都被覆蓋時，介面尺寸保持不變。圖5顯示了理論資料和模擬結果的對比。
5 實驗研究
實驗的主要目的是對通過cfd方法數值模擬的得到的結果進行定量的修正。
實驗在下列板結構型別上進行：
● 平板
● 帶巨集觀結構波紋填料的波紋板
應用的板30cm寬，15cm高。
圖5.擁有的理論資料和文獻資料的比較。
每個被測板垂直安裝於10個1公升的矩形玻璃水箱中。另乙個相同結構的板安裝到被測表面上面，為了在薄片之間形成乙個30cm的1mm溢位槽，這樣可以保證統一的板溼率。水箱放置在乙個液體可以自由流動的透明容器中。
為了使儀器水平，水箱放置在乙個金屬公升降機上。透明容器裝備乙個完全浸在液體中的葉輪幫浦用來再流通水箱中的水。液體流速由乙個**流量計測量。
實驗中使用的裝置示意圖在圖6中給出。
圖6.測量裝置示意圖。
6 結果與討論
在不同形狀的板上進行的實驗顯示在測量的整個範圍中不能達到使水完全覆蓋板表面。液體成股流動，其數量輕微變化（圖7）。這種觀察結果與文獻【1】和【14,15】中的實驗結果一致。
圖7.平板上的水流。
實驗結果也顯示自由表面積的增加是水流速度的函式（圖8）。圖8展示了在兩種不同流速情況下波紋板上的流動。
l=50 m3/m2hl=100 m3/m2h
圖8.波紋板上的流速
對甲苯流動的實驗中揭示了在填料上這種液體與水所不同的表現。液體完全覆蓋填料表面。在平板上流速等於15 m3/m2h和在波紋板上流速等於30 m3/m2h時可觀察到表面沒有被覆蓋，這與理論計算（分別為10 m3/m2h和20 m3/m2h）很好的吻合（圖9）。
l=15 m3/m2hl=30 m3/m2h
圖9.被測板上的甲苯流動。
理論和實驗結果的小差距來自在模擬中假定流動條件理想（例如填料邊緣光滑平直，表面理想的光滑和清潔）。
但是這些結果可以讓我們宣告這種模型可以確定液體可以完全覆蓋填料表面的最低流速。
7 結論
已經發展的規整填料塔上的兩相逆流cfd模型在文獻資料和我們自己的實驗的基礎上得到修正。
該模型用來確定液體和氣體流速與被測液體的物理化學性質對表面尺寸的影響。證實了流動液體型別和其物理化學型別對流動穩定性的重要影響。據報道甲苯能更好的覆蓋濕潤表面。
在被分析的流動區域水是成股流動的。
基於實驗結果我們可以說使確定液體完全覆蓋表面時的最低流速成為可能。對於甲苯來說，平板上流速時10 m3/m2h，波紋板上是15 m3/m2h。結果接近經驗值，小差距是因為兩種模型和實驗條件都做了簡化，例如，實驗中填料邊緣非理想的濕潤。
附加的模擬證實了隨著溼率的增加，調料表面被液膜更好的覆蓋，即介面面積逐漸增加，直到整個表面被液體覆蓋，然後由於波得形成是它輕微的增加。
f因子對截面面積尺寸的影響在計算誤差範圍之內。
結果證明了cfd方法的應用可能成為這種結構型別上的流動模擬的標準方法，它能減少實驗和填料單元的建造的費用。
參考文獻
[1][2][3] icheme 1999,77,505.
[4] brito, stocar, 1994, 33, 647.
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