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在过程工业，例如精馏、吸收和换热单元操作中，薄膜流体因其高比表面积以及高传质效率而得到广泛的应用。薄膜流体传质过程的效率取决于多种因素，研究薄膜流体流动形态与传质机理，掌握薄膜流动特性对于传质的影响规律，对于传统的化工单元设备选型、结构优化设计以及其操作参数选择具有重要的理论意义和广阔的应用价值。
论文针对应用于不同设备和单元操作中的薄膜流体流动过程，抽象出对传质起决定性作用的波纹板上气液两相的微观流动作为研究对象，研究在倾斜拓扑结构板上薄膜流体流动的传质特性与流动特性。采用开源CFD软件OpenFOAM进行传质求解器编写，建立了一个普适性的薄膜流体三维传质模型，综合考虑波纹板拓扑结构参数、传质过程的操作参数、薄膜流体特性和稳定性、流体共振现象和漩涡等因素对传质特性的影响，进而研究拓扑结构表面气液两相流的传质机理，为薄膜流体波纹板结构参数和气液两相流传质体系设计提供理论依据和设计准则。本文的主要研究内容和研究成果如下：
1.使用开源软件OpenFOAM自主编写薄膜流体传质求解器，首次采用直接数值模拟方法建立了同时考虑重力、表面张力以及气液相间剪切力的气液两相流三维传质模型。将仿真计算的传质结果与解析解、粒子图像测速PIV(Particle Image Velocimetry)和波纹板表面传质的实验数据进行比较，验证了两相流传质模型的准确性，实现传质效率的准确仿真模拟。
2.采用所建立的传质模型，首次研究了两种不同尺度的三角形波纹结构对于薄膜流体传质特性的影响。通过分析整体和局部的传质现象，以及气体入口速度与液相负载对于传质特性参数的影响，揭示了不同尺度三角形波纹结构下薄膜流体的传质机理。研究发现，气液两相的入口速度相同或者相似时，气液相的有效接触时间长，传质效率最高；液相法向速度愈大液相传质效果愈好，尤其是相界面处气液两相的小旋涡对提高传质系数的有显著作用。分析发现，小三角形波纹结构对于提高液相局部传质系数有明显的促进作用，另外一方面有助于增强相界面的稳定性。大三角形波纹结构对于气相一侧的传质效率有明显的促进作用，气相的湍动加速了局部的浓度扩散，既影响气液相间的接触面积，又加大了相应位置的法向速度强度，从两个方面均促进了传质的效果。
3.创新性地研究了波纹结构表面薄膜流体传质特性和流动特性的关系,分析了传质效率和共振现象的内在联系。在小三角形波纹模型中，自由表面共振点与传质效率最大值点并不完全重合，传质效率最大值基本均在共振区范围内，大三角形波纹结构的共振现象不明显，相比于共振的影响，气液相的传质系数对于总传质效率的影响更大。共振点的位置主要是由波纹结构与气液两相的物理性质决定的，与操作参数无关。
4.首次建立了带微观小结构的三维波纹板上薄膜流体传质的仿真模型，通过仿真模拟和实验研究揭示了带微观小结构的三维结构强化薄膜流体传质的内在机理。结果表明，界面水平方向的速度分量直接决定了气液两相间的表面更新速度，以及气液两相的接触时间，而法向的速度分量是促进传质的根本动力。采用多种粘度的硅油吸收二氧化碳体系，分析了液相粘度、液相入口流量以及气体入口速度对于传质性能的影响，比较了平板与三维波纹平板以及带微观小结构的三维波纹板的传质效率。研究结果证明，相较于平板传质效率，三维波纹结构可以将效率提升80%左右，带微观小结构的三维波纹结构可以将效率提升140%左右。本研究为深入理解微尺度下薄膜流体复杂的流动传质耦合作用提供一定的理论支撑，为化工过程系统中关键传热传质设备的工程优化设计提供了参考。
论文针对应用于不同设备和单元操作中的薄膜流体流动过程，抽象出对传质起决定性作用的波纹板上气液两相的微观流动作为研究对象，研究在倾斜拓扑结构板上薄膜流体流动的传质特性与流动特性。采用开源CFD软件OpenFOAM进行传质求解器编写，建立了一个普适性的薄膜流体三维传质模型，综合考虑波纹板拓扑结构参数、传质过程的操作参数、薄膜流体特性和稳定性、流体共振现象和漩涡等因素对传质特性的影响，进而研究拓扑结构表面气液两相流的传质机理，为薄膜流体波纹板结构参数和气液两相流传质体系设计提供理论依据和设计准则。本文的主要研究内容和研究成果如下：
1.使用开源软件OpenFOAM自主编写薄膜流体传质求解器，首次采用直接数值模拟方法建立了同时考虑重力、表面张力以及气液相间剪切力的气液两相流三维传质模型。将仿真计算的传质结果与解析解、粒子图像测速PIV(Particle Image Velocimetry)和波纹板表面传质的实验数据进行比较，验证了两相流传质模型的准确性，实现传质效率的准确仿真模拟。
2.采用所建立的传质模型，首次研究了两种不同尺度的三角形波纹结构对于薄膜流体传质特性的影响。通过分析整体和局部的传质现象，以及气体入口速度与液相负载对于传质特性参数的影响，揭示了不同尺度三角形波纹结构下薄膜流体的传质机理。研究发现，气液两相的入口速度相同或者相似时，气液相的有效接触时间长，传质效率最高；液相法向速度愈大液相传质效果愈好，尤其是相界面处气液两相的小旋涡对提高传质系数的有显著作用。分析发现，小三角形波纹结构对于提高液相局部传质系数有明显的促进作用，另外一方面有助于增强相界面的稳定性。大三角形波纹结构对于气相一侧的传质效率有明显的促进作用，气相的湍动加速了局部的浓度扩散，既影响气液相间的接触面积，又加大了相应位置的法向速度强度，从两个方面均促进了传质的效果。
3.创新性地研究了波纹结构表面薄膜流体传质特性和流动特性的关系,分析了传质效率和共振现象的内在联系。在小三角形波纹模型中，自由表面共振点与传质效率最大值点并不完全重合，传质效率最大值基本均在共振区范围内，大三角形波纹结构的共振现象不明显，相比于共振的影响，气液相的传质系数对于总传质效率的影响更大。共振点的位置主要是由波纹结构与气液两相的物理性质决定的，与操作参数无关。
4.首次建立了带微观小结构的三维波纹板上薄膜流体传质的仿真模型，通过仿真模拟和实验研究揭示了带微观小结构的三维结构强化薄膜流体传质的内在机理。结果表明，界面水平方向的速度分量直接决定了气液两相间的表面更新速度，以及气液两相的接触时间，而法向的速度分量是促进传质的根本动力。采用多种粘度的硅油吸收二氧化碳体系，分析了液相粘度、液相入口流量以及气体入口速度对于传质性能的影响，比较了平板与三维波纹平板以及带微观小结构的三维波纹板的传质效率。研究结果证明，相较于平板传质效率，三维波纹结构可以将效率提升80%左右，带微观小结构的三维波纹结构可以将效率提升140%左右。本研究为深入理解微尺度下薄膜流体复杂的流动传质耦合作用提供一定的理论支撑，为化工过程系统中关键传热传质设备的工程优化设计提供了参考。