基于Lattice Boltzmann方法的相间传质过程界面对流模拟和实验研究

本项目采用LBM方法模拟由于传质而引起的界面对流现象，通过模拟发掘传质机理，并进一步构建新的传质模型。由传质引起的界面对流导致传质过程的机理变化，这种变化本质上是因传质模式变化引起的，而且这种传质模式的变化广泛存在于各种传质过程之中，因此研究这类问题具有代表性意义。本项目提出了一种基于LBM计算方法的，能够反映真实界面对流的随机扰动计算模型，通过实验确定了模型最优参数。通过与实验现象对比，确认该模型能够真实反映界面对流过程，表现在以下方面：1）模拟得到的流速场被PIV测量实验证实；2）模拟得到的对流结构被纹影仪观察实验证实；3）模拟得到的对流开始时间与实验报道吻合；4）模拟发现气液传质点是移动的，与实验观察符合；5）模拟发现了传质结构的合并现象，与纹影仪观察符合；6）模拟发现了新结构的产生，与纹影仪观察符合。总结以上六点，可以确认本项目的计算方法可以在统计意义上得到真实的数据。以此为基础。尝试分析传质机理，本项目模拟了大量的虚拟物系的对流结果，并对真实物系有机溶液对气体的吸收和二元有机溶液的挥发两个过程进行了模拟，根据模拟结果得到了传质系数KL的时空演化曲线，用这些数据建立新的传质理论。本项目考察了多个统计物理量，包括湍动能耗散率，表面散度，粘性耗散率等，用这些统计物理量与KL进行了回归，得到了多个半经验半理论公式，结果发现湍动能耗散率和表面散度，有一定的理论与实际意义。从回归精度上看，表面散度效果最好，但是伴有一定的相位差，而湍动能耗散率在相位上吻合较好，但是精度较差。为了进一步探索传质理论，本项目又尝试了多种拟合方案，发现浓度耗散率与雷诺质流结合能够较好地解决精度和相位差的问题，得到精度较高的新公式。这样，传质理论就得到了进一步发展。同时，在机理方面，本项目探讨了速度方向与传质梯度的协同问题，指出最有效的传质在于速度与传质方向的协同，而当两者不协同时，尽管速度或者浓度梯度也许较大，但是并不意味着传质的高效。另外，本项目还对尺度效应及二次流现象进行了研究。