气液界面传质过程Rayleigh对流模拟的格子Boltzmann方法

付 博，袁希钢，陈淑勇，刘伯潭，余国琮

气液界面传质过程Rayleigh对流模拟的格子Boltzmann方法

付 博，袁希钢，陈淑勇，刘伯潭，余国琮

(天津大学化工学院化学工程联合国家重点实验室，天津 300072)

浓度梯度导致的Rayleigh对流是一种通常在传质过程中观察到的界面现象．为了模拟乙醇吸收CO2气液传质过程中界面传质引发的Rayleigh对流现象，提出了描述界面扰动的随机扰动模型，并建立了带有双分布模型的二维格子Boltzmann方法(LBM)．模拟二维液相Rayleigh对流过程中，假设界面上CO2浓度为常数．通过模拟研究，确定了随机扰动模型的2个参数：局部扰动概率P和浓度扰动大小ρD．模拟结果表明，当0＜ρD≤10-9,kg/m3、10-6≤P≤10-1时，平均液相传质系数存在一个稳定值：(1.09±0.02)×10-5,m/s．通过考察浓度分布结构，分析了Rayleigh对流的时空演化过程．根据模拟结果定义并计算了传质增强因子，其证明了Rayleigh对流能够有效地强化界面传质．

Rayleigh对流；格子Boltzmann方法；界面传质；液相传质系数；传质增强因子

在相际传质过程中，由物质在相界面上的传递而导致的浓度梯度会产生密度梯度，若密度梯度与重力作用方向相反，则称之为界面Rayleigh不稳定．此时若遇扰动，则会出现界面失稳进而引发的界面流体流动现象，称之为Rayleigh对流．Rayleigh对流的发生对界面传质有显著影响[1]，因而，研究Rayleigh对流对精馏、吸收等化工过程具有重要的意义．以往的实验研究和理论研究主要集中在采用光学测试手段如投影法、纹影法、激光全息干涉法等观察Rayleigh对流结构[2-4]、Rayleigh对流开始的不稳定性分析[5-6]、传质速率的测量[7]以及传质系数关联式的建立[8]．其中实验研究只能得到传质过程的宏观信息，而不能得到界面传质的微观信息；……