离心式分子蒸馏的CFD/DSMC耦合算法模拟及实验研究

摘要

离心式分子蒸馏是分子蒸馏的一种重要形式，是液液分离或精细分离的一种高新技术。离心式分子蒸馏过程中的流体力学特性和传质传热过程机理一直是人们所重点研究的。本文建立了针对连续和非连续介质流动的CFD/DSMC耦合算法，系统地研究了离心式分子蒸馏过程中液相、气相的流体力学特征与传递过程。
　　文章首先分别介绍了计算流体力学（CFD）方法和直接模拟 Monte-Carlo（DSMC）方法的基本思想、基本理论，然后给出了 DSMC方法中的基础如速度分布函数与分子二元弹性碰撞模型、DSMC方法的实施过程，详细描述了CFD/DS MC耦合方法的基本思想，着重介绍了耦合过程中两个最为关键的问题：耦合界面的确定与交界面处信息的传递，最后介绍了CFD/DSMC耦合方法实施的主要步骤。
　　基于CFD/DSMC耦合方法，建立了离心式分子蒸馏物理模型，整个模型划分为三个计算区域：CFD方法计算区域、DSMC方法计算区域以及CFD/DSMC耦合区域。针对每个区域划分不同尺寸的网格，建立各自的计算模型如建立控制方程组、确定源项（动量、传质、传热源项）、规定初始条件及边界条件，设置物性参数、确定求解方案等。采用二维轴对称模型来对液相无波动时的流动行为进行模拟；而建立了三维的立体模型来模拟液相产生波动的流动行为，以捕捉表面波的实时状态。
　　然后文中介绍了利用本实验室自有的激光诱导荧光系统（LIF）测量离心转盘表面液膜流动，LIF技术实现了转盘表面液体分布的可视化，获得波动液膜的厚度分布。实验获得的液膜厚度变化趋势与模拟值基本一致，吻合良好。并分别从理论推导和经验关联式角度出发获得了离心转盘表面液膜的近似计算式。
　　最后文中采用力平衡模型，建立了离心式分子蒸馏器旋转盘上受热液膜的永久性破断的力平衡模型方程，得到了在离心力驱动下的液膜破断临界液膜厚度和最小润湿量理论计算式。对液膜稳定铺展起促进作用的力为惯性力和离心力，而起阻碍作用的力是重力、表面张力差、热毛细力及蒸汽压力。其中起主导作用的力主要是离心力、重力、表面张力差和热毛细力。蒸汽压力相比其它力较小。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 分子蒸馏基础理论及概念

1.3 分子蒸馏技术的发展及应用

1.4 分子蒸馏的过程及设备装置

1.5 分子蒸馏过程理论研究

1.6 本文主要研究内容及意义

第二章 离心式分子蒸馏的CFD/DSMC方法

2.1 计算流体力学（CFD）方法

2.2 直接模拟Monte-Carlo（DSMC）方法

2.3 CFD与DSMC耦合方法

2.4 本章小结

第三章 离心式分子蒸馏过程的CFD/DSMC模拟

3.1 物理模型及网格划分

3.2 计算模型

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 激光诱导荧光技术测量分子蒸馏器表面液膜分布

4.1 实验与测量原理

4.2 实验装置及步骤

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 分子蒸馏器转盘受热液膜破断特性

5.1 物理模型

5.2 分子蒸馏器转盘上液膜破断模型

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要内容与结论

6.2 展望

符号说明

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢