沟流

不均匀的流动

沟流是指在流固系统或气液系统中，由于不均匀的流动，流体打开了一条阻力很小的通道，形成所谓沟，以极短的停留时间通过床层。这种现象称为沟流。

简介

沟流它较多发生在流固系统中。如沟贯穿于整个床层称为贯穿沟流，如仅发生于局部则称为局部沟流。形成沟流会降低传质效率。

在大型鼓泡床中，气泡聚合后沿几条捷径上升，而严重的鼓泡集中可使气泡沿着捷径上升而形成短路，此现象称为沟流。

在连续搅拌釜式反应器（CSTR）中由于进料速度和产物流出较快或搅拌不充分等，难免会有一些物料未经反应就直接随反应产物流出，此现象亦称为沟流。这种现象的存在，会造成转化率降低和物料的流失浪费（在非循环体系中），而且，可能会增加产物纯化的难度，对整个工艺流程带来一些不好的影响。

在现代流行语中，也是沟通交流的意思。

固液界面效应影响竖壁沟流波动

基于最小能量原理分析的竖壁沟流流动模型，认为当壁面为存在接触角滞后的非理想表面时，其控制方程的边界条件与滞后接触角有关，并分析了流量存在波动时沟流厚度的波动原因和范围。实验研究了一些液体在不同表面上的沟流流动，结果表明了沟流波动与界面效应有关的假设的合理性，沟流的实际厚度介于由滞后角限定的某一范围内，并且与沟流平均流量有关。若流率波动未超出由滞后接触角及沟流基础流量限定的范围时，沟流只在厚度方向发生波动；若流率波动超出这一范围，则沟流在宽度方向也开始伸缩。

沟流波动产生的原因

Doniec假设的理想表面上，当流率增加时，液体仍以最大厚度存在，只是在宽度加大，形成一定宽液膜。而当流率减少时，液体以此最大厚度存在，只是在宽度上减小，直到流率小于临界流率时，沟流发生断裂。实际降液过程中，由于流量的波动，在上述理想表面上，不考虑接触角滞后的因素，最大厚度不发生变化，沟流宽度发生伸缩。但由于表面的非理想性，存在接触角滞后，若流量的波动未超过由滞后角限定的流量范围，沟流在宽度方向不发生伸缩，而是在厚度方向上产生波动。厚度在δmaxA与δmaxR之间。这一机理得到了实验观测的佐证。水在有机涂膜表面上，同一位置，同一时刻，较小流量变化时的照片，水基础流量适中，流量波动未能引起沟流宽度方向的伸缩。

波动幅度分析

对于层流流动，当沟流截面形状一定时，其流量一定；因而当流量发生改变时，其截面形状也随之改变。在某一定流量基础上，流量发生较小变化∆Q，∆Q为截面变化∆S部分流量积分。由于接触角滞后，沟流在流量发生变化时各点厚度也要相应变化。沟流处于平衡状态1时，边界线上接触角θY；流量趋于增大时，首先边界不发生移动，即宽度不变，厚度开始增加接触角经历θY~θA之间的某一个θ，为状态2；流量继续趋于增大，边界仍不发生移动，接触角增大到θA，厚度增加到最大，为状态3；流量继续趋于增大，这时保持边界上接触角为θA，沟流边界开始移动，为状态4。流量减小时有类似的规律。

在相同基础流量和流率波动时，实测平均厚度δav均在前进厚度与后退厚度之间，调整较大的流率波动量，实验测定δA与预测值较为接近，δR较预测值略高，这是由于流量趋于减小过程不易调节，沟流容易断裂，难以达到极限值。

激光散斑照相分析沟流三维形态

以水为实验流体，固体壁面采用普通玻璃，所得为透射散斑。分析散斑形成可知，暗线或明线为某一等厚线，这些线条反映了液膜厚度分布。对比有流量波动和无波动照片可以看出，流量无波动时，等厚线相互平行，且竖直向下，表明竖直方向上无波动；流量较小波动时，沟流宽度未变，但竖直方向上波动形成曲线等厚线。

中空纤维组件中沟流效应的数值模拟

对用于膜蒸馏的中空纤维组件数学模型进行了求解，并用模拟计算结果分析组件存在沟流效应。结果表明，与纤维丝规则分布的理想组件相比，纤维丝随机分布的实际组件中存在的沟流效应使膜蒸馏组件通量降低；提高组件封装分率可以减轻沟流效应；提高膜两侧流体流量可以增加膜蒸馏推动力，削弱沟流效应带来的负面影响。

沟流效应分析

计算时假定这些局部封装分率服从数学期望为0.4，方差为0.2的正态分布为实际组件的结果，它实际上是上述10个子纤维束的计算结果便于对比。

(1) 该组件中几乎所有的膜蒸馏过程都是在低于0.5的区域内进行的，这一区域贡献了整个组件通量的96%，而其面积仅占总膜面积的70%；Φi高于0.5的区域由于其中的冷流体流量太小，即热、冷流体流率R太大，其温度非常接近于管程热流体温度，膜蒸馏推动力接近于零，因而这一占总膜面积30%区域就成了无效面积区域。

(2) 即使是在Φi低于0.5的区域，膜面积也没有充分发挥作用，Φi为0.3～0.4和0.4～0.5这两个子纤维束中R比较大，因而冷流体出口温度都接近于热流体的入口温度 (70℃)，膜蒸馏推动力必然非常有限，甚至存在一定比例的无效面积，膜蒸馏通量明显低于理想组件。这两个子纤维束对应膜面积占了总膜面积的近40%。

(3)Φi为0.2～0.3的区域R最接近于1，因而表现出了最接近于理想组件的通量值，遗憾的是这一区域的膜面积仅占总膜面积的15.36%。

(4) 封装分率为0.0～0.2的区域，R小于1，这使得该区域中冷流体的温度远离热流体的温度，因而膜蒸馏推动力较大，通量也很大，甚至超过理想组件的通量值。但是由于该区域所拥有的膜面积仅占总面积的14%，所以它对整个组件通量的贡献并不是很大。该区域内冷流体的流量占冷流体总流量的近70%，大量的冷流体流经这里却由于膜面积很小而不能充分发挥作用，其它区域却因为冷流体流量太小而造成通量很低，甚至成为无效区。

组件封装分率与沟流效应

Φ越大，组件通量越大。造成这一结果可能有两种原因，其一是随着Φ的增加，流体在壳程对流传热系数hp 提高了，使温度极化系数增大，

膜蒸馏推动力增加；其二是随着Φ的增加，沟流效应减轻。对hp和理想组件通量的影响，可以看出，虽然增加Φ能明显提高hp，但是对理想组件而言却没有提高其膜蒸馏通量。这是因为对中空纤维组件而言，hf和hp都很高，膜蒸馏过程的控制步骤已经不是膜两侧热边界层内的传热过程，而是跨膜传质过程，因此提高hp并不能明显提高通量。

从组件封装分率对壳程流体分布的影响可以看出，组件封装分率越越小，在局部封装分率很低的区域内壳程流体流量在其总流量中所占的比例越大。通过分析可以得出：实际组件的通量随着封装分率的升高而升高并不是因为壳程对流传热系数增大的缘故，而是由于封装分率的增大改善了壳程流体的流量分布，削弱了沟流效应。

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