（化学工程专业论文）Thesis_Y540341.pdf

中文摘要 在相际传质过程中， 由于物质在相界面上的传递而导致流体物化性质发生改变， 产生表 面张 力梯度和密 度梯 度，由 此引 发的 流体 流动 现象 称之为r a y le i g h - b d n a r d - m a r a n g o n i 现象。 由 于r a y l e ig h - b d n a r d - m a r a n g o n i 对流的发 生改 变了 传质 机理， 促 进了 传质效率， 因 此提供 了深入了解传质机理和探索增强传质途径的可能性。 借助于激光做光源， 利用改进的纹影仪光学设备， 通过选择不同的 物系及传质过程， 对 不同机理引发的 r a y l e i g h - b d n a r d - m a r a n g o n i 现象进行了系统的观测。实验观测结果显示 r a y le ig h - b d n a r d - m a r a n g o n i 对流 现象由 于 其出 现的 机理不同， 在宏观上表征为不同 的 对流形 态， 而且受 流体 起始流动 状态的 影响， 其具 体表现形式十 分复杂o r a y le ig h - b d n a r d - m a r a n g o n i 对流结构可分为规则有序对流结构和无序对流结构， 有序对流结构主要包括滚筒形和细胞形 对流结 构， 无序对流结构呈“ 混沌” 状， 形 态复杂; r a y le ig h - b d n a r d - m a r a n g o n i 对流结 构尺 度范围较大，其尺度小至仪器分辨率以下。 通过建立降膜流动传质模型， 并考虑了液相流动及非线性浓度分布的影响， 利用线性微 扰理论， 得到了降 膜流动传质过程m a r a n g o n i 效应发生的理论临界条件。 利用所建立的降膜 流动 传质实 验装置， 得出 实 a 4 *质系数的 变化， 由 此获 得m a r a n g o n i 效 应发生的 实 测临界 条 件， 实 测值与理论 值基本 符合， 从而为工 业上常见的降 膜流动 传质 过程中m a r a n g o n i 现象的 预测和利用提供了理论依据。 采用 有限 元数值计算方 法对超临 界r a y l e ig h - b d n a r d 对流进 行了 模拟计算， 得到了 对流 发生时的流场和浓度场。 根据计算值与实验获得纹影图像的比 较结果， 可以 利用纹影图 像大 致推断液 相中 浓度场的 分布 状况;同 时r a y le ig h - b d n a r d 对流流动决定了 液 相中 浓度场的 分 布， 可以 通过纹影图 像获得的 浓度分布大 致推断 传质过程中r a y le i g h - b d n a r d 对流的 流动 状 况，因此提供了 将纹影图 像从定性研究转化为定量研究的可能。同时数值计算的结果表明， 传质过程中当r a y le ig h - b d n a r d 对流发 生后， 促进了 液相 表面更 新， 加强了 传质效果; 同 时 对流导致界面浓度不是均一值，而是随空间和时间变化。 利用实验观测和理论研究的成果， 通过明确相际传质溶质渗透理论的传质微元尺度， 提 出了小尺度相际传质溶质渗透理论。 对于渗透理论中难以 处理的停留时间， 通过确定界面湍 动流体微元作为非稳态传质单元， 结合界面湍动的流体力学特性， 从而得以 通过理论方法近 似解决。 结 合小尺度相际 传质溶质渗透理论， 通 过建 立的 半经 验模型， 研究了 伴有m a r a n g o n i 效 应的 传质动力学，阐 述了m a r a n g o n i 效应增强 传质的 机理， 得 到了 传质s h 数与m a 数之 间的连续指数关联， 从而对不同实验过程中得到的不同s h 数与m a 数之间的关系得以 解释。 研究表明，由m a r a n g o n i 效应而增强的传质速率与界面m a r a n g o n i 湍动的表现形式有关。 关键词: 界 面 湍 动， 质量 传 递， 扩散， r a y le ig h - b d n a r d - m a r a n g o n i 对 流， 流 动 不 稳定 性 abs tract d u r i n g t h e m a s s t r a n s f e r p r o c e s s , c o n c e n t r a t i o n g r a d i e n t i n d u c e d b y t h e m a s s d i ff u s i o n u s u a l l y c a n p r o d u c e i n t e r f a c i a l t e n s i o n g r a d i e n t a n d d e n s i t y g r a d i e n t . t h e s e m a y c a u s e t h e a p p e a r a n c e o f r a y l e ig h - b d n a r d - m a r a n g o n i c o n v e c t i o n . t h i s p h e n o m e n o n i n l i q u i d r e p r e s e n ts a c o n d i t i o n o f i n s t a b i l i t y t h a t m i g h t i n t e n s i f y t h e m a s s tr a n s f e r . t h e r e f o r e , f u r t h e r s t u d y o n r a y l e i g h - b d n a r d - m a r a n g o n i c o n v e c t io n i s n o t o n l y f o r t h e o r e t i c a l in t e r e s t b u t a l s o f o r i n v e s t i g a t i n g t h e p o s s i b i l i t y o f a p p ly i n g t h i s p r i n c ip l e t o i n t e n s i f y t h e m a s s t r a n s f e r p r o c e s s . l a s e r s c h l i e r e n d e v i c e w a s e s t a b l i s h e d t o o b s e rv e d y n a m i c a n d s t a t i c c o n v e c t i v e fl o w p a tt e r n s o f r a y l e ig h - b d n a r d - m a r a n g o n i e ff e c t p r o d u c e d i n t h e m a s s t r a n s f e r p r o c e s s a n d t h e s c h l i e r e n i m a g e s w e r e t a k e n a s d i r e c t v i s u a l e v i d e n c e s . a c c o r d i n g t o d i ff e r e n t s i g n s o f ma n u m b e r a n d r a n u m b e r , d iff e r e n t s o lv e n t s a n d d i ff e r e n t m a s s tr a n s f e r p r o c e s s e s w e r e s e l e c t e d t o i n v e s t i g a t e t h e r a y l e i g h - b d n a r d - ma r a n g o n i e ff e c t i n d u c e d b y d i ff e r e n t d r i v e n m e c h a n i s m i n c l u d i n g d e n s i t y g r a d i e n t o r s u r f a c e t e n s i o n g r a d i e n t o r c o m b i n a t i o n o f b o t h . t h e r e a r e t w o k i n d s o f fl o w p a tt e rn s o b s e rv e d i n e x p e r i m e n t s : o r d e r l y c o n v e c t i o n s t r u c t u r e s i n c l u d i n g b o t h r o l l a n d c e l l s t r u c t u r e , a n d c o m p l e x c h a o t i c fl o w p a tt e rn s . t h e s c a l e o f fl o w p a tt e rn r a n g e s w i d e l y a n d it c a n b e s o s ma l l t h a t t h e s c h l i e r e n d e v i c e c a n n o t d i s c r i mi n a t e . f l o w s t a b i l it y o f f a l l i n g f i l m m a s s t r a n s f e r p r o c e s s a c c o m p a n i e d b y c o n c e n t r a t i o n - d r i v e n ma r a n g o n i e ff e c t w a s m o d e l e d a n d a n a l y z e d b y u t i l i z i n g t h e l i n e a r s t a b i l i t y t h e o ry. t h e c r i t i c a l c o n d it i o n s , a t w h i c h t h e ma r a n g o n i c o n v e c t i o n e m e r g e s i n f a l l i n g f i l m , a r e o b t a i n e d i n t h e b a s e o f n o n l i n e a r c o n c e n t r a t i o n p r o f i l e a n d fl u i d fl o w . a n e x p e r i m e n t a l i n s t a l l a t i o n w a s s e t u p f o r m e a s u r i n g t h e c h a n g e o f m a s s tr a n s f e r c o e f fi c i e n t , s o a s t o o b t a i n t h e c r i t i c a l ma r a n g o n i n u m b e r . t h e a g r e e m e n t b e t w e e n t h e t h e o r e t i c a l l y p r e d i c t a b l y a n d e x p e r i m e n ta l l y o b t a i n e d c r i t i c a l m a r a n g o n i n u m b e r s i s a c c e p t a b l e . t h u s , t h e p r e s e n t t h e o r e t i c a l m o d e l c a n b e u t i l i z e d t o p r e d i c t t h e o c c u r r e n c e o f ma r a n g o n i c o n v e c t i o n a n d i n t e n s i f y t h e m a s s t r a n s f e r p r o c e s s . f l o w f i e l d a n d c o n c e n t r a t i o n c o n t o u r o f l i q u i d p h a s e i n a g a s - l i q u i d c o n t a c t i n g s y s t e m a r e s i m u l a t e d t o s h o w t h e r a y l e i g h - b d n a r d c o n v e c t io n a n d c a l c u la t e d b y u t i l i z i n g t h e f i n it e - e l e m e n t m e t h o d . t h e s c h l i e r e n i m a g e s o f r a y l e i g h - b d n a r d c o n v e c t i o n i n c 0 2 - e t h a n o l s y s t e m w e r e p r e s e n t e d f o r d i r e c t v i s u a l v e r i f i c a t i o n o f p r e s e n t s i m u l a t i o n , a n d f o u n d t h a t t h e s i m u l a t e d r e s u l t s w e r e w e l l c o n s i s t e n t w i t h t h e e x p e r i m e n t a l . t h e s c h l i e r e n i m a g e o f r a y l e i g h - b d n a r d c o n v e c t i o n r e s e m b le s t h e s h a p e o f c a l c u l a t e d c o n c e n tr a t i o n c o n t o u r , a n d t h e d i s t r i b u t i o n o f c o n c e n tr a t i o n i n l i q u i d d e p e n d s o n t h e r a y l e i g h - b d n a r d c y c l i c fl o w s . i t is p o s s i b l e t o u n d e r s t a n d b o t h c o n c e n t r a t i o n fi e ld a n d fl o w fi e ld t h r o u g h t h e s c h l i e r e n i m a g e . t h e c a lc u l a t e d r e s u l t a l s o s h o w s t h a t t h e s o l u t e c o m p o s i t i o n a t t h e g a s - l i q u i d i n t e r f a c e i s n o t u n i f o r m a s s o o n a s t h e a b s o r p t i o n p r o c e s s i s s ta rt e d . t h e c o n s i s t e n c y b e t w e e n r e s u l t s o f e x p e r i m e n t a n d t h a t o f m a t h e m a t i c s i m u l a t i o n s h o w s t h a t t h e p r e s e n t m o d e l i s h e l p f u l i n t h e f u rt h e r u n d e r s t a n d i n g o f r a y l e i g h - bd n a r d c o n v e c t i o n a n d i t s ma s s t r a n s f e r me c h a n i s m. i n t h e b a s e o f e x p e r i m e n ta l a n d t h e o r e t i c a l r e s u l t s t h e s m a l l - s c a l e p e n e tr a t i o n t h e o ry i s e s t a b l i s h e d t o d e m o n s t r a t e t h e m a s s t r a n s f e r p r o c e s s a c r o s s p h a s e i n t e r f a c e . b y t a k i n g i n t e r f a c i a l t u r b u l e n c e u n i t a s u n s t e a d y p e n e t r a t i o n u n it , t h e i n t e r f a c e s t a y t i m e c a n b e g a i n e d t h e o r e t i c a l l y b y c o m b i n i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c o f i n t e r f a c i a l fl u i d fl o w w i t h t h e m as s t r a n s f e r p r o c e s s . t h e m a s s t r ans f e r p r o c e s s a c c o m p a n i e d 妙m a r ang o n i c o n v e c t i o n i s ana l y z e d b y t h e s m a l l - s c a l e p e n e t r a t i o n t h e o r y , a n d a n a l y t i c a l r e s u l t s e x p l a in s u c c e s s f u l l y t h e d i ff e r e n t ty p e s o f e m p i r i c a l c o r r e l a t i o n s b e t w e e n s h e r w o o d n u m b e r a n d ma r a n g o n i n u m b e r f r o m t h e l i t e r a t u r e . mo r e o v e r i t i s s h o w n t h a t e n h a n c e m e n t m as s t r a n s f e r c o e f f i c i e n t b y i n t e r f a c i a l m a r a n g o n i e ff e c t d e p e n d s o n t h e ty p e s o f ma r a n g o n i c o n v e c t i o n . k e y w o r d s : i n t e r f a c e t r ans f e r , t u r b u l e n c e , d i ff u s i o n , r a y l e i g h - b d n a r d - ma r ang o n i c o n v e c t i o n , m as s fl o w i n s t a b i l i ty 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 k 生玉生一 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 :沙 零签 字日 期 :2 列) 年 7月z日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解止 k 生叁 一有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 退 建大生一 可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 签字日 期:2 叼l 年 9 $ 1 l 月 又 日 导师签名:i 签 字 日 期 :2 w v *7 月 z日 天津大学博士学位论文 a u舀 在质量传递过程中， 由于物质在相界面上的传递而导致相界面附近流体物理化学性质发 生 变化， 产生表面 张力梯度和密度梯度， 并由 此引 发的 流 体对流现 象称之为r a y l e ig h - b e n a r d - m a r a n g o n i 现象， 这种 现象的 重 要特征在于 界 面流 体运动的 流体力 学不 稳定 性， 只 要有传质 发生，这种不稳定性就持续存在。 尤为重要的是，传质过程中 r a y l e ig h - b e n a r d - m a r a n g o n i 现象的出现促进了流体表面更 新， 增强了传质效果，因此对其的研究成果可应用于探讨增强传质过程的有效途径，开发高 效、 低能耗的 传质设 备。 另 外， r a y le ig h - b e n a r d - m a r a n g o n i 现象由 相际 传质过程引 发， 在相 界面处发生， 其与相际传质过程紧密联系， 对其的充分研究将促进目 前相际传质理论的进一 步发展，为深入了解相际传质微观机理提供帮助。 迄今为止，r a y l e i g h - b e n a r d - m a r a n g o n i 现象实验研究集中于传质过程中出现的 r a y l e ig h - b e n a r d - m a r a n g o n i 对流结构观 察， 以 及增强的 宏观传 质系数测量。 研 究的 传质过# y 侧重于液液传质过程，而对工 业传质过程中更为常见的 气液传质过程中出现的 r a y le ig h - b e n a r d - m a r a n g o n i 现象研究尚 不充分。 由 于 气液相界面 较之液液相界 面更为 活泼， 对实 验设 备和测量技术要求苛刻，使实验研究较为困难，但是近期的研究表明 r a y l e i g h - b e n a r d - m a r a n g o n i 现象对精馏等 传统气液传质过 程影响 颇大， 因 此有必 要对其 做系统的实验 研究。 由于r a y le ig h - b e n a r d - m a r a n g o n i 现象是一个非 线 性过程，由 于非 线性理论的 不成熟， 对其的理论 研究尚 不充分。尽管可以 利用线性稳定性理论得到 r a y le ig h - b e n a r d - m a r a n g o n i 现象发生时的临界参数， 但对现象发生后流动和传质状况知之甚少， 无法满足理论和实践的 需要。由于涉及质量传递基础理论、 表而化学、 非线性数学分析以及流体稳定性理论诸学科 的交又，对深入了 解传质导致的界面 r a y le i g h - b e n a r d - m a r a n g o n i 现象研究带来了 相当的难 度， 但是对其研究的成果势必促进交义学科在化工领域中的应用， 促进化工传递基础理论的 发展，有助于发现强化分离过程的有效途径 化学 r _ 程传递基础理论发展至今， 已山宏观研究逐步向微观研究过渡， 在化学 i j y 研究 中一 度占据主导地位的准数回归方法己逐渐落伍。为进一步探讨普适性的气液相际传质规 律， 有必要从界面微元运动着手， 研究在传质过程中界面现象对相际传质的作用和影响。 传 质导致的界面 r a y l e ig h - b e n a r d - m a r a n g o n i 现象作为界面微元运动的一个成因，提供了 研究 界而微元运动影响相际传质的一个良好对象， 对其的深入研究， 将有助于明了微观相际传质 规律。 本文h 在对气液传质导致的 r a y l e i g h - b e n a r d - m a r a n g o n i 现象进行深入的实验研究和理 论探讨:借助于现代光学观测设各 激光纹影仪，对各种传质过程中出 现的 r a y l e ig h - b e n a r d - m a r a n g o n i 对流结构进行了 系统观测; 对气液传质过程中常见的降膜传质过程进行了 前言 线性微扰稳定性分析、 得到了m a r a n g o n i 对流发生时的 临界条 件; 采用有限元数值计 算 方法 模拟了 气液 吸收过程中出 现的r a y le ig h - b 6 n a r d 对流过程， 得到了 界面 对流发生后液相流 动 和传质状况的定量信息; 在上述基础上， 建立了小尺度溶质渗透传质模型，以揭示界面微元 运动影响相际传质的规律。 天津大学博士学位论文 第一章 文献综述 1 . 1引 言 在相际质量传递过程中， 由于传质产生的流体界面湍动， 不仅表观上具有规则的 滚筒形 或多边形等几何图案， 而且在实际应用中可增强传质过程， 理论上亦可促进人们对传质微观 机理的认识， 因而吸引了众多 研究者的注意力。 促使界面产生湍动的原因， 现在人们已 经归 结于r a y l e ig h - b e n a r d 效应和m a r a n g o n i 效应 ( 以 下 将r a y l e i g h - b e n a r d 效应和m a r an g o n i 效 应统一简称为 r a y le ig h - b e n a r d - m a r an g o n i 效应或 r b m 效应) 。 r a y l e ig h - b e n a r d效应和 m a r an g o n i 效应可以分别用无因次数r a y l e i g h 数r a , m a r ang o n i 数m a 来表征，其中: r a 一 鲁 ， m a 一 ae vd at 当 传质过程中 cr 0 , m a 0 ， 且超过一定的临 界值时， 表面张力梯度 将引发m a r an g o n i 流 动不 稳定 性， 同 样当 传质过 程中如 0 , r a 0 ， 且 超过一定的 临界值时， 垂直方向 上的 密 度梯度 导致的 重 力梯度将引 发r a y le ig h - b e n a r d 流动不稳定性， 这两种不 稳定 性均可导致宏 观可测的 流体流动( b e n a r d , 1 9 0 1 ; r a y l e i g h , 1 9 1 6 ; p e a r s o n , 1 9 5 8 ) 。 实际观测到的r b m现象， 往往是 两种效应综合作用的结果( n ie l d , 1 9 6 4 ) . r a y l e ig h - b e n a r d效应是由 于密度差异导致的地球引力差异而产生，因此可以 通过消除 重力影 响来 考察没有 r a y l e ig h - b e n a r d效 应的 界面湍 动现象。 在太空中航 天器中 微重力条件 f 进行的 相际 传热r b m效应实验中 ( d u p o n t , 1 9 9 2 ; s c h w a b e , 1 9 9 9 ) ， 人们 依然观察 到了相界 面上 产生的 界 面湍动对流结构。 这说明了 在相际传热中 表面张力差异导 致的m a r a n g o n i 效 应 是界面湍动的一个独立起因。 同 样在实际情况有重力场存在时， 考察质量传递过程中 相界面 上 产生的界 面湍 动现象， 尽管没有直接的 实 验证实， 但可以预 见m a r an g o n i 效应和r a y l e ig h - b e n a r d 效应是界面湍动现象的两个独立的起因。 长期以来，普遍认为r b m对流只是在界面附近存在，强度较小，因此研究者考虑对实 际应用中传热、 传质效率的影响因素时，往往予以忽略， r b m 效应更多的是作为非线性理 论s作 者 研究的一个良 好对象 ( b o e c k , 1 9 9 7 ; b e r g e o n , 1 9 9 4 ; r in g u e t , 1 9 9 9 ; b r a v e r m a n , 1 9 9 7 b a u , 1 9 9 9 ) , 随着对传热、 传质微观机理的日 益深入，人们发现r b m效应的作用不容忽略。 在许多传热、 传质过程中出现的传递速率异常现象往往归因于r b m效应的产生，在晶体制 各、 制药、 冶金等领域，传热、 传质导致的r b m效应对产品的纯度、质量往往也有着重要 的影响， 因 此提出了 利用 r b m 效应增进传递效果、 优化产品 质量的 可能 性( h w an g , 1 9 9 6 ; 天津大学博士学位论文 g a l a z k a , 2 0 0 0 ; 葛培文， 2 0 0 1 ) ,除了针对传统的传热、传质过程， 现在r b m对流的研究范 围己 经扩展到了各个领域， 例如 s h a r m a ( 1 9 8 6 ) 在为隐形眼镜配置的缓冲溶液中添加能促使 m a ra n g o n i 对流产生的物 质， 促使角膜液 膜液体 得到 连续的 刷新和补充， 可有效避免 限痛和 干眼的发生:l y f o r d ( 1 9 9 8 ) 则研究了m a r a n g o n i 效应对多孔岩石石油矿藏中石油开采的 增1 a r a y l e i g h - b e n a r d - m a r a n g o n i 效应的实 验观测 r a y l e i g h - b e n a r d - ma r a n g o n i 对流流场的显示 l卜，一，一 乙乍扭扭 r b m效应出现时引发液相主体流动不稳定性，导致流体流动。在液相湍动时，由于主 体流动干扰， 有序结构由于界面的快速更新不易形成， 难以取得r b m对流发生的直接证据。 而当 无液相主体流动干扰或干扰较少时， 流动往往以 规则有序的几何结构存在( s c r i v e n , 1 9 6 0 ; p a n t a lo n i , 1 9 7 9 ; s u c iu , 1 9 6 7 ; z h a n g , 1 9 9 9 ; b o d e n s c h a t z , 1 9 9 1 ) ， 这时 通过流场显示方法 观察 r b m对流流场， 可以得到r b m效应发生时的 流动状况。 同时， 将实验观测的r b m对流几 何形态同非线性理论分析方法得到的流场形态对比， 可以 直接验证所采用方法的有效性。 当r b m对流发生时，通过在液相中添加示踪物质如细微铝粉、 铝箔及光敏材料等， 可 观察示 踪物质伴随r b m对 流达动的 轨迹. 得到r b m对流流场的 信息 ( s z y m c z y k , 1 9 9 1 ; z h a n g , 1 9 9 9 ) 。 例如s c h w a b e ( 1 9 9 9 ) 研究加热 液层的m a r a n g o n i 不稳定性时， 通过铝箔作为示 踪物得 到了m a r a n g o n i 对流的多边形、 辐射状等多种流型结构。由 于r b m效应是一种界面现象， 示踪物质的 选择应该以 不改变界面物化性质为原则，以 得到不受干扰的流场结构。 通常情况下， 利用光对研究介质无影响的特点， 使用纹影仪等连续可视的光学系统观测 相界面上r b m对流.可以获得临界失稳条件下 的r b m流型结构( d a v i e s , 1 9 8 1 ) 。 采用光学 观察方法， 要求气液或液液界面有着明确可视的相界面。 这种类型的相界面通常是水平静止 液层表面或严格层流下的水平液层表面， 层流自由下落液膜表面， 以及不互溶溶液相中的液 滴界面， 这样做可以消除湍流脉动带来的观测及计算困 难， 易于观9 ( 界面湍动现象， 并且方 便应用层流严格的流体力学推导公式进行准确计算. 通过利用纹影系统， o r e l l 和w e s t w a t e r ( 1 9 6 1 ) 观察了乙二醇一乙酸一乙 酸乙 酷三组分液 液萃取 过程的 相界面， 观察到了 有序的 对流结 构: i m a i s h i 等( 1 9 8 0 ) 观测了 湿壁塔中一乙 醇 胺、 三乙 醇胺水溶液吸收c o z 时的r a y l e i g h - b e n a r d 效应导致的界面湍动现象，发现塔的中部有 稳定和连续的松针状对流结构; s u c i u ( 1 9 6 7 ) 观测了液液萃取过程相界面的湍动状态:z h a n g 等 ( 1 9 9 0 ) 通过液一 液系统 研究了 双组分 扩散引 发的 界面湍动现象。 另外， o k h o t s im s k i i( 1 9 9 8 ) 在一个静止的容器中 用 1 6种有机溶剂进行了 二氧化碳的 吸收和解吸实验， 对r a y l e ig h - b e n a r d - m a r a n g o n i 效 应导 致的 界 面湍 动 结 构 进 行分 类; a g b le ( 2 0 0 0 ) 在 考 察 表面 活 性 剂 对 液 - 液系统 传质过程的影响时， 将观测 的纹影图 像作为m a r a n g o n i 效 应引发的界面湍动影响 传质 的直接视觉证据，获得了大量的资料积累。 大量的实验观测显示表明，r b m现象呈现出多种对流形态，主要的对流形态包括规则 的滚筒形、 多边形等结构， 尽管采用弱非线性理论等方法可以 得到滚筒形、 六边形等简单对 第一章 文献综述 流结构的形成机理，但对于复杂的对流结构形成机理尚不清楚 ( p a r m e n t i e r , 2 0 0 0 ; h a n n a o u i , 1 9 9 8 ) 。在非线性理论中，对流动形态起决定作用的波矢量由于不包含流体的 物化性质，使 问题变得更加复杂。总之，在各种操作状态、不同流体中r b m对流结构的复杂性，显示了 r b m现象非线性的本质，需要大量设计精巧的实验工作以揭示其内在的规律。 1 .2 .2 间接测量方法 传递过程中r b m效应的出现， 促进了液体主体的表面更新， 对传递过程有着极大的增 强作用。在传热、 传质过程中r b m现象发生时的一个显著特点是传热系数或传质系数显著 的高于只有扩散机理作用时的 传递系数，因此通过观测异常的传递系数，可以间接的确定 r b m 现象的发生。这不但避免了直接观测流场的困难，而且可以考察工程上更为关注的 r b m效应影响传递效率的效果，为改善实际应用过程提供帮助。 通过实 验测量宏观平 均传递系数， b r ia n 等 ( 1 9 7 1 ) , i m a is h i 和s u z u k i 等( 1 9 8 2 ) 实验测定 了r b m现象对传质问题的影响， 实验的共同特点是在湿壁塔或类似设备中 研究使表面张力 变化的物质从溶液中解吸及吸收时界面m a r a n g o n i 对流对传递速率的影响， 为消除重力影响 导 致的r a y l e ig h - b 6 n a r d 效 应， 传质 在竖 直平面上 进行， 可以 认为 界 面湍 动现象是由 界面张 力梯度引起的m a r a n g o n i 效应产生。 l u 等( 1 9 9 6 ) 采用人工 激励方法研究m a r a n g o n i 效应对气 液界 面吸收 传质速率 的影响; t a n 和t h o r p e ( 1 9 9 9 ) 研究了r a y le i g h - b 6 n a r d 效 应导致界面湍 动 对液 层传质的影响， 并对渗透理论进行修止; s t r a u b ( 1 9 9 4 ) 研究了m a r a n g o n i 效应对传热的 影响，以解释同沸腾传热相联系的较高传热速率。大量的实验结果不但证明r b m现象对传 递过程具有增强作用， 并且通过实测传递速率数据与普通传递理论如渗透理论的预测传递速 率结果相比较， 可以定量的得到临界r a , m a 数， 以及传递速率与r a . m o 数的关系( s u n , 1 9 8 8 ; h o z a w a , 1 9 7 6 , 1 9 8 4 ; o s t r o v s k i i , 1 9 7 4 ; m e n d e s - t a t s i s , 1 9 9 6 ; v a z q u e z , 1 9 9 6 ) 。 由于测量的宏观传 递系数是传递系数的平均值， 而r b m效应是发生于界面的微观现象，从中不能得到关于微 观传递过程的信息。 激光全息干涉条纹法将微观定量测量引入m a r a n g o n i 现象对流结构的 研究， 其测量的是 微观传递系数，摈弃了宏观平均传递系数测量带来的种种弊端，因此具有相当的优越性 ( k a p u r , 1 9 7 4 ) 。 在全息干 涉条纹法中 ， m a c h - z e h n d e r 干涉法是较为 常见的方 法: 通过此法得 到的直接结果是干涉条纹。 如果干涉条纹是由于传递过程产生， 则可通过条纹判读确定实验 区内传递系数。 激光全息干涉条纹法缺点是不能得到直接的视觉证据， 设备及消耗材料昂贵， 条纹判读复杂， 而且使用者需要高度技巧。 在干涉法的基础上， 不少学者对这种方法进行了 扩展， 较为典型的 有g u z u n - s to ic a ( 2 0 0 0 ) 提出 的实时 动态四 波长混 合 激光干 涉法， a g b le ( 2 0 0 1 ) 提出的将纹影仪和干涉法结合的研究方法。a g b l e ( 2 0 0 1 ) 的方法利用了 纹影法和干涉法的优 点互补性，可以同时得到m a r a n g o n i 对流发生的证据和对应传递系数的数值。 除宏观参数如总传递系数的测量、 对流结构的观测外， 界面附近浓度场、 温度场的直接 实验观测、 测量也十分重要， 其不但为探索r b m效应微观机理提供证据， 而且可为了解微 观传质、 传热机理提供了事实支持。由于r b m效应能促进传递过程的特点，微观实验探索 天津大学博士学位论文 对应用过程提高传递效率具有重要的意义。 1 . 2 . 3微重力 环境下的ma r a n g o n i 效应研究 在地面上， m a r a n g o n i 对流的 研究总是 受到重力效 应的 影响， 其中 重力导致的r a y le ig h - b e n a r d对流往往i司m a r a n g o n i 对流叠加， 极大的影响 m a r a n g o n i 对流的 特性。 n i e l d ( 1 9 6 4 ; 的理 论研究 表明 加热薄液 层中 流动不 稳定 性的诱导因 素r a y le ig h - b e n a r d效 应和m a r a n g o n i 效应相互影响，这在一定程度上干扰了 对m a r a n g o n i 效应的实验观测。而在微重力环境 f . 由于r a y le ig h - b e n a r d 效应的减弱， 十分有利于研究由 于传热、 传质引发的表面张力梯度驱 动的m a r a n g o n i 对流。 材料本身以 及掺质的化学均匀性一直是困扰材料质量提高的一个难题， 研究表明由于 材料制备过程中的传热、 传质会导致表面张力梯度驱动的m a r a n g o n i 对流， 是影响产品 质量 的一个重要因素。同时， 在微重力环境下的材料制备，由于可以得到比地面产品性能优良的 产品. 正成为未 来材料制备的 重要领域 而 微重力下m a r a n g o n i 效 应则 成为 影响产品 质量的 重要因素， 对其充分了 解止成为材料制备研究的重要课题( 葛培文， 2 0 0 1 ) . 在 本世纪7 0 年 代早期的a p o l l o -1 4 和a p o l lo 一1 6 上进行的 微重力 环境下制备均 质偏 品 合金实验， 以 及随后众多的空间实 验结果使人 们认识 到， m a r a n g o n i 效应导 致的 流体 流动 在空 间 材料 制各上起着重要作用 ( d u p o n t , 1 9 9 2 ; s c h w a b e , 1 9 9 9 ) . 空间 材料科学的这一发 现， 为改 进 地面 材料合成一 艺提供了 新的 机会。 中国 科学院 利用 科学卫 星研究了m a r a n g o n i 对流 对 a i- r e和 a i- a l 3 n i 共晶合金及 a i - b i 偏品合金凝固行为的影响， 发现表面张力驱动的 m a r a n g o n i 对流对空间放射状共晶组