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系統識別號 U0002-0908201018253900
中文論文名稱 微落膜反應器之模擬研究
英文論文名稱 Simulation study of micro falling film reactors
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 李協聰
研究生英文姓名 Hsieh-Hsung Li
學號 697400884
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-07-23
論文頁數 118頁
口試委員 指導教授-張煖
委員-程學恆
委員-王國彬
委員-陳錫仁
委員-陳逸航
中文關鍵字 微落膜反應器  多相流  CFD  VOF model  接觸角度  膜厚 
英文關鍵字 Micro falling reactors  Multiphase flow  CFD  VOF model  Contact angle  Film thickness 
學科別分類
中文摘要 微落膜反應器可提供遠高於傳統裝置之單位體積介面面積與熱質傳係數,適合於高熱效應之快速反應,也是程序強化之一種重要單元。由於涉及氣液兩相之流動,其模擬較為困難。本論文利用計算流體力學軟體(Computational Fluid Dynamics,CFD),採用FLUENT內之流體體積(Volume of Fluid, VOF)模式,模擬微落膜反應器內之流力與熱傳特性。比較二維與三維模式之模擬結果,顯示當接觸角度為90°時,二者之結果接近,然而接觸角度為60°時差異則相當大。使用二維模式,本論文完成了各項條件改變之影響分析,包括氣體流量、液體流量、液體黏度、液體密度、表面張力、壓力差、傾斜角度,探討之系統特性則包括收斂之液體流量、液膜厚度與波動程度、速度分佈與壓力分佈。模擬之液膜厚度,與文獻之實驗結果相同,與Kapitza方程式之計算值最接近。模擬之納賽數比文獻之關聯式預測値高了38 ~ 93%。
英文摘要 Micro falling film reactor (MFFR) provides much higher interfacial area per unit volume as well as heat and mass transfer coefficients than traditional devices. MFFR is particularly suitable to highly exothermic and rapid reactions and is one of the important units for process intensification. However, MFFR is difficult to simulate due to the interaction between the gas and liquid phases. The thesis studies the hydrodynamics and heat transfer for a micro structured falling film reactor by CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation using the Volume of Fluid (VOF) model in FLUENT. Comparison of the 2D and 3D simulations indicates that 2D and 3D simulations provide similar results for the case of 90° contact angle, but are significantly different for the case of 60°contact angle. By the 2D simulation, the effects of various system parameters, including the fluid flow rates, liquid density and viscosity, surface tension, pressure drop and angle of inclination, on the phase, velocity and pressure profiles, are investigated. The film thickness results are close to that from Kapitza’s equation, which coincides with the conclusion of comparing experimental results from the literature. The Nusselt number results from simulation are higher than the predictions from a correlation for traditional devices by 38-93%.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 X
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 6
第三章 計算流體力學模式之建立 11
3.1 數學模式 11
3.1.1 基本統制方程式 11
3.1.2多相模式(Multiphase Model) 12
3.2 求解方法 16
3.2.1 離散方法 16
3.2.2 速度-壓力耦合方法 18
3.2.3 收斂準則與疊代參數 18
第四章 基本個案之模擬與分析 19
4.1 微落膜反應裝置 19
4.2 模擬方式 23
4.3 網格繪製 24
4.4 網格無關化 26
4.5 基本個案流場模擬分析 30
4.5.1 相態分佈 32
4.5.2 速度分佈 33
4.5.3 壓力分佈 36
4.5.4 基本個案熱傳特性分析 37
4.5.5 剪應力(shear stress)分佈 40
第五章 流場模擬分析 43
5.1 二維模擬 47
5.1.1 液體流量之影響 47
5.1.2 氣體流量之影響 51
5.1.3 液體黏度之影響 55
5.1.4 液體密度之影響 61
5.1.5 表面張力之影響 64
5.1.6 壓力差之影響 69
5.1.7 傾斜角度之影響 75
5.2 三維模擬 77
5.2.1 相態分佈 81
5.2.2 速度分佈 85
5.2.3 壓力分佈 90
5.2.4 液膜波動 91
5.2.5 剪應力分佈 93
第六章 熱傳模擬 96
6.1 熱傳量分析 98
6.2 熱傳係數比較 103
第7章 結論與建議 106
符號說明 110
希臘字母 112
下標 113
參考文獻 114


圖目錄
圖1. 1 IMM之微落膜反應器 3
圖2. 1 不同液體流量與微通道之液膜表面輪廓: 8
圖2. 2 不同形狀通道之速度分佈 9
圖3. 1 介面決定方法: (a)真實介面, (b)幾何重建法, (c)供者-受者法 15
圖4. 1 微落膜反應裝置 20
圖4. 2 垂直配置系統示意圖 21
圖4. 3 傾斜配置系統示意圖 22
圖4. 4 二維網格 24
圖4. 5 網格繪製 25
圖4. 6 網格無關化分析-進出口液體流量偏差值隨時間之變化 28
圖4. 7 網格無關化分析-液膜分佈 29
圖4. 8 截線位置 31
圖4. 9 基本個案液膜波動 32
圖4. 10 基本個案各水平截線之相態分佈 33
圖4. 11 基本個案各水平截線之速度分佈 34
圖4. 12 基本個案近液體區各水平截線之速度分佈 35
圖4. 13 基本個案各水平截線之Y方向速度分佈 35
圖4. 14 基本個案近液體區各水平截線之Y方向速度分佈 35
圖4. 15 基本個案各水平截線之X方向速度分佈 36
圖4. 16 基本個案各垂直截線之X速度分佈 36
圖4. 17 基本個案各水平截線之壓力分佈 37
圖4. 18 基本個案各水平截線之溫度分佈 38
圖4. 19 基本個案各垂直截線之溫度分佈 38
圖4. 20 基本個案之反應器內部平面溫度分佈 39
圖4. 21 基本個案氣液介面之剪應力分佈 40
圖4. 22基本個案氣液介面局部區域之剪應力分佈 42
圖5. 1 模擬與方程式/關聯式預測液膜厚度之比較 48
圖5. 2 改變 對液膜波動程度之影響 50
圖5. 3 改變 對氣液介面表面積之影響 50
圖5. 4 對應之氣體與液體流量 52
圖5. 5 改變氣體流量個案各水平截線之速度分佈 53
圖5. 6 改變氣體流量對液膜波動程度之影響 54
圖5. 7 改變液體黏度對液體流量之影響 56
圖5. 8 改變液體黏度對液膜波動程度之影響 58
圖5. 9 不同液體黏度與模擬時間下之液膜波動情形 59
圖5. 10 改變液體黏度對氣液介面表面積之影響 60
圖5. 11 改變液體密度對液體流量之影響 61
圖5. 12 改變液體密度對液膜波動程度之影響 63
圖5. 13 改變液體密度對氣液介面表面積之影響 63
圖5. 14 改變表面張力對液體流量之影響 64
圖5. 15 改變表面張力對液膜波動程度之影響 66
圖5. 16 改變表面張力對氣液介面表面積之影響 66
圖5. 17 改變表面張力個案液體區垂直截線之壓力分佈 67
圖5. 18 改變表面張力個案近液體區各水平截線之Y方向速度分佈 68
圖5. 19 改變壓力差對液體流量之影響 70
圖5. 20改變壓力差個案各水平截線之壓力分佈 71
圖5. 21 改變壓力差個案近液體區X方向速度分佈 72
圖5. 22 改變壓力差個案近液體區Y方向速度分佈 73
圖5. 23 改變壓力差對液膜波動程度之影響 74
圖5. 24 改變傾斜角度對液體流量之影響 75
圖5. 25 改變傾斜角度對液膜波動程度之影響 76
圖5. 26 不同材質之接觸角 77
圖5. 27 三維模擬系統之截面設定 79
圖5. 28 三維系統各XZ截面之相態分佈 83
圖5. 29 二維與三維模擬之相態分佈比較 84
圖5. 30 二維模擬之速度分佈 85
圖5. 31 三維模擬各XZ截面之近液體區速度分佈 87
圖5. 32 三維模擬各XZ截面之氣體區速度分佈 88
圖5. 33 接觸角度60°三維模擬之液體區速度分佈 89
圖5. 34 二維與三維模擬之壓力分佈比較 90
圖5. 35 二維與三維模擬之液膜波動情形 92
圖5. 36 二維與三維模擬之剪應力分佈情形 94
圖5. 37二維與三維模擬局部區域之剪應力分佈情形 95
圖6. 1 液體流量對熱傳量之影響 100
圖6. 2 液體密度對熱傳量之影響 100
圖6. 3 各熱傳個案之溫度分佈 102
圖6. 4 熱傳係數之比較 105



表目錄
表3. 1 離散方法與鬆弛因子設定 17
表3. 2 收斂準則 18
表4. 1 微落膜反應裝置規格 20
表4. 2 XY平面網格加密個案 26
表4. 3 網格無關化之條件設定 27
表4. 4 網格無關化個案模擬結果之比較 28
表4. 5 基本個案條件設定 30
表4. 6 各截線之座標 (m) 31
表5. 1 二維模擬個案 44
表5. 2 三維模擬個案 46
表5. 3 改變 對液膜厚度之影響 48
表5. 4 對應之氣體與液體流量 51
表5. 5 改變液體黏度對液體流量之影響 55
表5. 6 改變液體密度對液體流量之影響 61
表5. 7 改變表面張力對液體流量之影響 64
表5. 8 改變壓力差對液體流量之影響 69
表5. 9 改變傾斜角度對液體流量之影響 75
表5. 10 三維個案之條件設定 78
表5. 11 二維和三維模式之模擬結果 78
表5. 12 三維模擬系統設定截面之座標 (m) 80
表6. 1 熱傳模擬個案 97
表6. 2 熱傳模擬之氣液相物理與輸送性質 97
表6. 3 熱傳個案模擬結果 99
表6. 4 各熱傳模擬個案之對數平均溫差與熱傳係數 104

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論文使用權限
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