如何在 COMSOL Multiphysics® 中模拟鼓泡

Siva Sashank Tholeti 2018年 8月 22日

鼓泡是气体与液体之间的一种质量传递过程,常见于各种工业应用(比如饮料碳酸化作用和光生物反应器),乃至在家中给鱼缸充气,都属于这种现象。在本篇博客文章中,我们将详细介绍如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件对碳酸化作用这种鼓泡现象进行建模。

什么是鼓泡?

鼓泡 是将气体吹进液体中产生气泡,从而将气体溶解在液体中或将液体从一些溶解的成分中剥离出来的过程。如上所述,该过程承载气体到液体或液体到气体的质量传递。脱氧过程就是一个鼓泡例子,在这一过程中,氮气气泡穿过液体,以排出或去除氧气和其他溶解气体。另一个例子是溶解,即气体溶解在液体中。溶解的物质可进一步与液体中的其他成分发生反应,改变液体的化学成分。碳酸化作用和充气是这种鼓泡/溶解现象的常见示例。

一瓶碳酸水的特写照片。
一瓶汽水的碳酸化作用产生的气泡。

当我们打开一瓶苏打水、汽水或任何碳酸饮料时,由于压力释放和浮力,导致二氧化碳气泡上升,我们会听到“嘶嘶”的声音。然而,在我们打开瓶盖之前,二氧化碳是溶解在饮料(CO2 (aq))中的。这种溶解通过使二氧化碳气泡(通常在过饱和高压下)穿过饮料来实现。当二氧化碳气泡穿过饮料时,气体通过气泡表面向液体传递质量,溶解的二氧化碳与水发生反应生成碳酸,整个过程称为碳酸化作用

在本篇博客文章中,我们将研究如何通过二氧化碳在水中的溶解来模拟碳酸化过程。换句话说,我们要制作虚拟碳酸水。

近距离观察碳酸化作用

如下图所示,从一杯水的底部引入二氧化碳。二氧化碳气泡由于浮力而上升,在水中穿行,传递质量和动量,最后通过顶面排出。请注意,溶解的二氧化碳与水反应生成碳酸。因此,为了模拟和理解玻璃杯中的碳酸化作用,我们需要求解以下问题:

  • 水和二氧化碳气泡的质量和动量传递,即多相流
  • 二氧化碳从气泡到液体的质量传递,即溶解
  • 溶解的二氧化碳的质量传递以及后续发生的任何反应(如碳酸的生成)

解释一杯汽水的碳酸化过程的图表。
一杯水中的碳酸化作用示意图,二氧化碳气泡从底部进入。

在 COMSOL Multiphysics® 中模拟鼓泡

我们来看看在 COMSOL Multiphysics 中求解上述鼓泡问题需要用到的接口和条件。如上图所示,这个问题是轴对称问题。因此,我们可以使用二维轴对称组件来构建模型。在模拟多相流时,我们使用气泡流,层流 接口,由于气泡的容积率大于 1%,二氧化碳气体的密度与水相比可以忽略不计。当气泡的容积率大于 1% 时,也可以使用颗粒跟踪来求解气泡的输送。但请注意,气泡流可用于模拟气泡容积率大于 1%(约为 10% 或更小)的系统。

此外,由于根据气泡速度计算的雷诺数低于内部流动的雷诺数 2000,因此我们选择层流。

提示:阅读 COMSOL® 软件中关于不同类型多相流接口的博客文章,了解它们的优缺点以及相应的基本假设。

气泡流,层流 接口不仅可以求解速度、压力和有效气体密度,还可以计算气泡的数密度和相关的界面面积(在设置中选择求解相界面面积 选项时)。这样,我们能够使用双层膜理论来计算气泡与液体之间的质量传递,这个问题将在后文进行讨论。

显示如何在 COMSOL Multiphysics 中建立鼓泡模型的图表。
COMSOL Multiphysic 中的问题设置示意图,其中显示 气泡流稀物质传递接口相关的边界和域条件。二氧化碳的质量传递通过 反应条件来指定,碳酸反应通过 平衡反应条件来指定,两者都由该示意图中的 反应来表示。注:没有指出默认域条件,如 流体属性、传递属性初始值。

请注意,模拟流体流动时,我们假设自由表面(即水面)的变形可以忽略不计。不过,由于这是一个自由表面,因此在边界处选择了滑移壁 条件,如上图所示。这一条件支持水作切向运动,但将法向速度限制为零。气体入口和出口条件在该接口的 边界条件下指定。(可以在之前关于模拟一杯啤酒中的气泡流的博客文章中找到关于这一过程的更多详细信息。)为了保持一致性,入口气体通量从零增加到所需的值,这是一种载荷随时间变化的方法,通常是一种不错的实践方法。

二氧化碳和水的平衡反应所产生的含水二氧化碳和碳酸的传递通过稀物质传递 接口进行建模,该接口求解含水二氧化碳和碳酸的浓度。请注意,本例中我们只考虑生成碳酸的反应。气泡流(bf)和稀物质传递(tds)的相关边界条件如上图所示。

二氧化碳从气泡到液体的质量传递通过气泡流 接口的质量传递 条件来建模。本例中,我们使用双层膜理论 选项,该选项利用亨利定律 来计算从气体到液体所需的质量传递m_{gl} ,由下式给出:

{m_{gl}} = k({c^*} – c)M \cdot a

其中:

  • k 是必须指定的质量传递系数,取自实验或文献资料
  • c 是溶质的浓度;在本例中,为含水二氧化碳的浓度 cCO2,通过稀物质传递 接口计算
  • M是气体(二氧化碳)的分子量
  • a 是通过气泡流 接口计算的单位体积界面面积
  • {c^*}是根据亨利定律(c^* = (p+p_
    {ref})/H
    )计算的平衡浓度,其中:

    • p是根据气泡流 接口计算的相对压力
    • p_{ref} 是在气泡流 接口中指定的参考压力
    • H是亨利常数,取自实验或文献资料

从气体到液体的质量传递是含水二氧化碳的来源,通过稀物质传递 接口中的反应 项进行分析,如下所示。除了稀物质传递气泡流 接口之间的耦合外,通过气泡流 接口计算的液相速度在稀物质传递 接口的传递属性 域设置下传递,这解释了含水二氧化碳的对流传递。

COMSOL Multiphysics 中的“质量传递”条件设置的带注释屏幕截图。
气泡流接口中 质量传递条件的设置。该域特征中的所有参数都在 参数节点下定义,但 c_CO2 除外,它是在 稀物质传递接口中计算的二氧化碳浓度。

COMSOL Multiphysics 中的“反应”条件设置的带注释屏幕截图。.
稀物质传递接口中 反应项的设置,其中质量传递值 bf.mgl 在 气泡流接口中计算,并在 稀物质传递接口中作为源/汇项传递。

COMSOL Multiphysics 中的“平衡反应”条件设置的带注释屏幕截图。
用于指定平衡反应 H2O + CO2 (aq) ↔ H2CO3 的设置,水在 稀物质传递接口中用作溶剂,其中 K_eq 在 参数节点中定义。

鼓泡过程的仿真结果

二氧化碳的质量传递和含水二氧化碳扩散的相关输入信息取自文献资料(参考文献 1-3)。

通过比较下图中 t = 0 s 和 t = 10 s 时的绘图,可以明显看出二氧化碳气泡(通过气体体积分数来量化)开始在水中上升,并赋予水动量,最后通过顶面排出。然而,由于水不通过顶面流出,它开始在玻璃杯中循环,导致产生下图中观察到的涡流。质量传递发生在气体体积分数非零的区域,因此,最初含水二氧化碳的浓度与气体体积分数紧密相关。然而,含水二氧化碳通过对流和扩散传递到玻璃杯的其余部分,当你比较下面的速度(包括流线)和含水二氧化碳浓度表面图时,可以看到对流传递占主导地位。

四个不同时间的鼓泡过程仿真结果。
t = {0, 10, 50, 100} s 时,水的速度大小以及流线(左)、二氧化碳气泡体积分数(中)和含水二氧化碳浓度(右)。

在 COMSOL Multiphysics 中,我们还可以创建并导出上述绘图的动画,这有助于更好地观察旋涡的形成、它们随时间的演变以及稀物质的传递。

 

水的速度大小随流线(左)、二氧化碳气泡体积分数(中)和含水二氧化碳浓度(右)的演变过程。

由于这是二维轴对称仿真,COMSOL Multiphysics 软件会自动创建三维数据集,这是计算研究中二维数据集的一次变革。因此,我们可以创建一个碳酸随时间演变的三维动画,其中碳酸的生成和传递与含水二氧化碳的传递紧密相关。

 

碳酸浓度随时间的演变。

结束语

在本篇博客文章中,我们通过水的碳酸化作用示例讨论了如何模拟鼓泡。一般来说,类似的过程可用于模拟分散多相流中任意两种流体之间的质量传递,请注意,质量传递 条件在气泡流 混合物模型 接口中均有提供。就像通常使用 COMSOL Multiphysics 时一样,你还可以在质量传递 条件下通过向下滚动质量传递 模型下的列表来指定用户定义的表达式。

对这种多物理场问题进行建模时,最优的建模工作流程是先从简单的模型开始,然后再逐渐增加模型的复杂度。

后续操作

你是否对气泡建模非常感兴趣呢?单击下面的按钮可以下载碳酸化作用示例。请注意,你必须有 COMSOL Access 帐户和有效的软件许可证才能下载相关的 MPH 文件。

有关离散和分散多相流建模的更多信息,请查看以下示例模型:

参考文献

  1. Sander, R., Compilation of Henry’s law constants for inorganic and organic species of potential importance in environmental chemistry, Air Chemistry Dept., Max-Planck Inst. of Chemistry, 1999.
  2. Hogendoorn, J.A., Bhat, R.V., and Versteeg, G.F., “On the Determination of the Diffusivity of CO 2 in Aqueous and NonAqueous Solvents: Investigations with Laminar Jets and Wetted Wall Columns”, Chemical Engineering Communications, vol. 189, no. 8, pp. 1009–1037, 2002.
  3. Han, J., Eimer, D.A., and Melaaen, M.C., “Liquid phase mass transfer coefficient of carbon dioxide absorption by water droplet”, Energy Procedia, vol. 37, pp. 1728–1735, 2013.

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