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422 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

8 mm S
H
α 8 mm
g
B

图 3 金属丝网规整填料 PACK-13C
Fig. 3 Metal wire mesh structured packing PACK-13C

表 1 金属丝网规整填料 PACK-13C 几何结构参数
Tab. 1 Geometric structure parameters of metal wire mesh structured packing PACK-13C
峰高 H/mm 波距 B/mm 丝网厚度/mm 开孔直径/mm 孔间距/mm 孔隙率 倾角 α/（°）
2.5 4 0.4 2 8 0.659 92 45

为了更好模拟气液两相在填料中的流动状态， 力加速度矢量，取 9.80 m /s。液相主要以液膜形式
2
将气液接触面设置为内壁传热传质边界条件，将两 附着于金属丝网上，液体流域厚度近似为丝网厚度，
者分离处于不同的流道中。在规整填料上，气相自 即 0.4 mm。为了反映金属丝网结构对于液体流动
下而上流动，液相流动则相反。因此，在模型中将 的影响，将液体流域设置为孔隙率 0.659 92、渗透
−10
2
气相流域下方设置为气相入口，液相流域上方设置为 率 2.757×10 m 的多孔介质 。
液相入口，除进出入口和气液接触面以外其余边界 浓度场利用多孔介质中的稀物质传递描述。
设置为壁面绝热无通量边界，具体设置如表 2 所列。 在稀物质传递过程中，由扩散引起的通量符合菲克
[20–21]
第一定律 ，这一物理量只取决于溶质和溶剂相
表 2 模型边界条件设置
互作用的单一性质，即扩散系数，其控制方程为：
Tab. 2 Model boundary condition setting
（4）
∇J i +u∇c i = R i
位置 流场 温度场 浓度场
（5）
−3
−7
气相入口 2.962×10 m/s 179.502 K 2.95×10 mol/mol J i = −D i,eff ∇c i
ε
气相出口 215 kPa / / D i,eff = D i （6）
τ
−7
−4
液相入口 1.006 4×10 m/s 179.500 K 3.00×10 mol/mol 3
式中： c i为物质 i 的浓度，mol/m ； R i为物质 i 的摩尔
液相出口 215 kPa / / 2
通量，mol/m ； D i,eff 为有效扩散系数； D i为实际扩散
2
2.2 控制方程 系数，m /s； ε为孔隙率； τ为迂曲度。
在全回流工况下，氪氙混合物气液两相雷诺数 对于多孔介质而言，有效扩散界面小于自由流
分别为 9.6 和 1.8，均处于层流状态。 体的界面，实际浓度梯度小于表观浓度梯度，所以
ρul 有效扩散系数不同于实际扩散系数。因此，引入了迂
Re = （1）
µ 曲度来描述这一效应，迂曲度 τ与孔隙率 ε之间存
式中：l 为气液相特征长度对应的水力直径； ρ为流 在标准相关性，根据 Millington-Quick 方程 [22] 描述：
体密度，其中液相密度为 2 853.9 kg/m ，气相密度 1 （7）
3
−
τ = ε 3
为 18.792 kg/m ； u为 气 液 的 表 观 速 度 ， 由 制 冷 量
3
气体扩散系数采用 Fuller-Schettler-Giddings 方
得到冷凝器中冷凝的液相流量，再除其流道横截
程 [23] 描述，液体扩散系数采用 Wesselingh-Krishna
−3
面积即可得到表观速度，气相为 2.962×10 m/s，液
方程 [24] 描述。方程输入为温度、压力和浓度，耦合
−4
相为 1.006 4×10 m/s； µ为气液相动力黏度，气相为
物理场求解所需物性参数。
−5
−4
1.624×10 Pa·s，液相为 4.11×10 Pa·s。
气液间质量传递系数由 Delft 模型 [25] 得出，该
流场控制方程主要包括连续性方程和动量方程：
模型考虑了流动状态对于传质的影响，质量传递系
∇(ρu) = 0 （2）
数由下式得出：
[ ]
ρ(u∇)u = ∇ −ρI + K + F+ρg （3） 0.15 K 1
= + （8）
式中： F为流体体积力源项矢量，kg/（m·s）； g为重 k LG k L k G