液滴撞击丝网渗漏影响因素及临界准则

捕沫器等化工气液分离设备中,液滴撞击丝网速度超过临界值,部分液体穿透多孔丝网形成子液滴、发生渗漏,将严重影响下游生产的性能与安全。通过可视化实验测量不同丝网表面液滴临界渗漏速度,讨论倾斜角度、丝网结构参数、液滴直径及表面浸润性等因素对临界渗漏速度的影响。液滴渗漏是法向动压力联合水锤压力克服网孔毛细压力的结果。法向动压力是动压力分量,与丝网倾角相关。液滴撞击丝网极短的瞬间,液体受到压缩,产生的水锤压力与液滴投影下的网孔数存在定量关系。毛细压力与气液界面在网孔间的位置及接触角相关。水锤压力及毛细压力均受丝网结构参数影响。通过网孔间气液界面受力分析,有机地整合渗漏影响因素,得到了渗漏临界量纲1准则。该准则与实验结果高度吻合,可为气液分离器设计提供参考。     

利用算图设计气液分离器

利用本文的算图可以使立式的撞击式惯性分离器、压缩机的干燥除沫器、旋风分离器以及其他用于石油精制、石油化工、化学工业等部门使用的气液分离器的设计过程简单化。为了减少蒸汽从液体中分离出来时所伴生的飞沫,气液分离器中需要有一定的分离空间。蒸汽从液体中产生时,是肯定带有飞沫的,这时蒸汽中带有各种直径的液滴。在分离器中,通常采用下列几种方法减少蒸汽的飞沫: 1.降低蒸汽速度,使液滴在重力作用下沉降下来; 2.液滴撞击在丝网表面上,在丝网表面凝结成较大的液滴,由于重力的作用滴下来。在夹带的飞沫较少,允许利用的空间又比较小、液面调节较为困难的情况下,常常采用     

垂直管气液两相环状流的界面扰动波速度

在气液两相环状流中,界面波是两相间质量、动量和能量转移的重要载体,对其特性参数（波速、波频和波幅）的研究具有重要意义。首先根据气液两相流界面波分类,对其特征进行了定性描述。针对现有的界面剪切力推导了界面扰动波速度预测模型,考虑了气核中夹带液滴引起的密度增量及气核与液膜表面相对速度的影响,得到了改进的垂直管环状流扰动波速预测模型。针对工业现场工况压力较高现状,设计了基于近红外吸收衰减技术和互相关原理的界面波波速测量传感器,在五种压力（0.2～0.9 MPa） 154个界面波波动速度条件下进行了实验。结果表明,改进后模型预测效果良好,相对误差在±10%左右,在不同系统压力条件下具有一定外推性。     

垂直管气液两相环状流的界面扰动波速度

在气液两相环状流中,界面波是两相间质量、动量和能量转移的重要载体,对其特性参数(波速、波频和波幅)的研究具有重要意义。首先根据气液两相流界面波分类,对其特征进行了定性描述。针对现有的界面剪切力推导了界面扰动波速度预测模型,考虑了气核中夹带液滴引起的密度增量及气核与液膜表面相对速度的影响,得到了改进的垂直管环状流扰动波速预测模型。针对工业现场工况压力较高现状,设计了基于近红外吸收衰减技术和互相关原理的界面波波速测量传感器,在五种压力(0.2~0.9 MPa)154个界面波波动速度条件下进行了实验。结果表明,改进后模型预测效果良好,相对误差在±10%左右,在不同系统压力条件下具有一定外推性。     

润湿性图案表面上的液滴侧向弹跳行为

表面润湿性不均匀会影响液滴撞击表面后的运动行为。通过液滴撞击润湿性图案表面,利用疏水表面上的亲水条纹可以实现液滴的侧向弹跳。实验过程中探究了不同的表面性质与撞击条件对液滴侧向弹跳运动行为的影响,为实现液滴定向弹跳提供了新的思路。实验结果表明,润湿性图案主要影响液滴撞击表面后的回缩过程,并且图案尺寸、液滴速度、液滴撞击位置均会对液滴撞击表面后的分裂以及侧向弹跳产生影响。通过实验获得了上述参数对液滴侧向弹跳的质量和距离的影响规律。     

丝网分离器的操作弹性研究

由丝网性能可知,丝网分离器的操作下限由液滴分离效率要求决定,操作上限由丝网的泛点气速决定。文中分析了丝网分离机理,在此基础上提出了气体速度、丝网结构参数与液滴分离效率之间的关联式,根据液滴分离效率确定丝网分离器的操作下限;丝网分离器的操作上限由丝网液泛速度决定。根据确定的上下限气速,可在此范围内选定设计气速用于确定丝网分离器的尺寸。     

金属丝网超亲/疏水性强化气液相界面运动

利用多孔结构进行液体的导流和气液分离是近年来强化传热的研究热点,主要原理是气液固三相界面的受力平衡,固相材料的亲疏水性则是决定微孔内气液固三相界面运动规律的关键因素。针对具有一定亲水性的金属铜网,进行超亲水和超疏水处理;考察多孔结构亲疏水性对相界面以及气液两相分离效果的影响。结果表明,金属铜网具有浸润自相容性;经过亲疏水表面改性后,超亲水性能阻挡气泡的通过;超疏水性能的多孔铜网更易与气体为伍,形成致密气封膜,阻挡液体进犯。静态实验测定多孔丝网的浸润自相容能力,接触角为151°丝网,对液相阻滞力为117.6N·m^-2;接触角为0°的超亲水丝网对气相阻滞力为49N·m^-2,并建立了多孔结构浸润自相容性与分离临界气泡尺寸的数学关联。     

柴油液滴撞击壁面运动形态及变化历程的实验研究

液滴碰壁是液体射流过程中的重要现象,对喷雾效果有重要影响。采用高速摄影方法对柴油液滴撞击壁面的运动形态及变化历程进行了研究;根据获取的撞击壁面后不同时刻液滴的运动形态和参数,对液滴撞击壁面的运动过程、铺展运动无量纲润湿长度的变化历程、飞溅运动发生的临界撞击速度以及壁面材料对液滴撞击壁面运动的影响等进行了分析。通过研究,获得了柴油液滴撞击壁面时的运动特性及规律。     

压力式喷嘴雾化过程气液传质性能

对压力式喷嘴雾化过程气液传质性能进行了研究,考察了CO₂-H₂O、C₂H₂-H₂O、O₂-H₂O、CO₂-paraffin系统中液体对气体的吸收速率。液体雾化压力越大,液体对气体的吸收速率越快,而液体最终浓度与液体雾化压力几乎无关。对单液滴进行受力分析,推导出了液滴运动速度与时间的关系式,并针对CO₂-H₂O体系计算了不同液体雾化压力下液滴速度的变化,结果表明,液滴速度衰减很快,在0.6 s内液滴趋近其终端速度。基于渗透模型推导出液滴内浓度变化方程,在不同气液体系中将模型计算值与实验结果进行对比,相对误差都在20%以内。     

单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测，对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性，同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明：与液滴撞击普通冷表面（温度-25~-5℃）发生瞬时冻结沉积相比，液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结，而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为；撞击速度越大，普通冷表面上液滴铺展因子越大，而且液滴越易冻结。液滴低速（We≤76）撞击超疏水冷表面会发生反弹现象，但速度对液滴最大铺展时间无影响；液滴高速（We≥115）撞击超疏水冷表面后会产生明显液指，而且破碎为多组卫星液滴。此外，冷表面温度仅影响液滴反弹高度，对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

金属丝网超亲/疏水性强化气液相界面运动

利用多孔结构进行液体的导流和气液分离是近年来强化传热的研究热点,主要原理是气液固三相界面的受力平衡,固相材料的亲疏水性则是决定微孔内气液固三相界面运动规律的关键因素。针对具有一定亲水性的金属铜网,进行超亲水和超疏水处理;考察多孔结构亲疏水性对相界面以及气液两相分离效果的影响。结果表明,金属铜网具有浸润自相容性;经过亲疏水表面改性后,超亲水性能阻挡气泡的通过;超疏水性能的多孔铜网更易与气体为伍,形成致密气封膜,阻挡液体进犯。静态实验测定多孔丝网的浸润自相容能力,接触角为151°丝网,对液相阻滞力为117.6 N·m~(-2);接触角为0°的超亲水丝网对气相阻滞力为49 N·m~(-2),并建立了多孔结构浸润自相容性与分离临界气泡尺寸的数学关联。     

单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测,对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性,同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明:与液滴撞击普通冷表面(温度-25~-5℃)发生瞬时冻结沉积相比,液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结,而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为;撞击速度越大,普通冷表面上液滴铺展因子越大,而且液滴越易冻结。液滴低速(We≤76)撞击超疏水冷表面会发生反弹现象,但速度对液滴最大铺展时间无影响;液滴高速(We≥115)撞击超疏水冷表面后会产生明显液指,而且破碎为多组卫星液滴。此外,冷表面温度仅影响液滴反弹高度,对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

液滴撞击亲疏水间隔条纹表面

在高温高压环境下，将线切割成特殊形状的铝片镶嵌在树脂表面，再通过CuCl₂溶液对铝表面腐蚀，利用硬脂酸无水乙醇溶液的恒温水浴，进行表面修饰，适当处理得到亲水区域与疏水区域共存的复合表面。采用高速相机记录了液滴撞击水平与倾斜表面的动力过程，实验结果表明：液滴撞击水平放置的亲疏水复合表面时，其铺展过程与液滴撞击单一润湿性表面相似，但收缩行为差异化明显。液滴在亲疏水间隔表面收缩时，液膜会因亲疏水性并存而产生高度差。液滴撞击倾斜亲疏水复合表面时，液滴撞击的速度越大，其在斜面进行的位移量越大，速度过大的情况下液滴不会被宽度为20mm的斜面捕获；当速度为定值，Oh数越小，液滴跨越的亲疏水段越多，Oh数过小的情况下液滴不会被斜面截留；其他参数不变，比值系数H越小，液滴更易被斜面捕获。     

凸起微结构对超疏水表面液滴弹跳强化机理的研究

研究表明冷凝液滴在超疏水表面上合并时可以诱发弹跳,而调控液桥撞击壁面的位置能够强化这一过程。今制备了两种构型的超疏水表面(只包涵纳米结构的平壁超疏水表面以及带有三棱柱凸起结构的超疏水表面),从液滴侧部和底部两个方向协同拍摄了液滴在平壁超疏水表面上合并弹跳动态过程;实验测量了液滴弹离壁面的速度并计算了相应的能量转化率,研究了三棱柱的结构参数对液滴弹跳速度的影响。结果表明,超疏水表面上液滴合并诱导弹跳过程可以分为四个阶段:液桥生长、液桥撞击壁面、液滴底面积收缩及液滴弹离壁面;当液滴在三棱柱凸起结构上方合并时,液滴弹离壁面的速度随着三棱柱长度增加而增大(三棱柱高度不变),且存在一个最大值;当三棱柱长度一定时,液滴弹离壁面的速度亦随着三棱柱的高度增加而增大。     

喷雾冷却中液滴撞击带气泡液膜的数值模拟

在喷雾冷却过程的核态沸腾区,液滴与液膜及液膜内气泡的撞击对过程传热有重要影响。本文建立以水为冷却工质的单液滴撞击带气泡液膜的二维数值模型,模拟研究过程现象和传热规律。结果表明,We为6.94、量纲为1的液膜厚度为0.5（对应液滴速度0.5m/s、液膜厚度1mm）时,撞击过程中液膜扰动不显著、运动形态近似波纹;当We增大到111.11（对应液滴速度2m/s）时,撞击过程中液滴与液膜接合处的表压达到6000Pa,成为颈部射流现象的推动力,并逐步发展形成冠状水花;撞击过程中气泡的存在会阻碍液滴与加热表面的直接接触,但随着气泡的破裂,液滴与加热表面直接接触换热,使撞击点附近表面传热系数远大于其他区域,提高了传热能力,且液膜厚度越小、液滴速度越大,表面传热系数峰值越高。研究结果可为喷雾冷却系统的进一步研究提供理论依据。     

液滴间相互碰撞融合与破碎的实验研究

液滴间的相互碰撞对发动机液体燃料雾化、燃烧效率及颗粒物排放的减少均有重要影响;为了探究液滴间相互碰撞后的液滴融合与破碎过程,采用高速摄影技术对液滴间相互碰撞的融合过程、融合振荡无量纲宽长比变化历程、破碎过程以及液体物性参数对碰撞破碎的影响进行了分析。结果表明,液滴间相互碰撞后主要呈现融合振荡与破碎两种运动形态;对融合振荡形态而言,两液滴间的碰撞速度及初始无量纲尺寸比越大,融合后液滴振荡的宽长比的最大值越大;对破碎形态而言,两液滴间的碰撞速度越大、初始无量纲尺寸比越小以及大液滴的表面张力越小,液滴发生破碎的时刻越小。研究结果可以为改善发动机缸内雾化,增大气/液间的接触面积,强化气/液间传热传质提供理论依据。     

水滴与聚氧化乙烯液滴撞击荷叶表面的实验对比分析

为探究荷叶表面的液滴撞击行为规律,本文利用高速摄像机以14000帧/秒的帧率分别记录水滴和4种不同相对分子质量的聚氧化乙烯（polyethylene oxide,PEO）水溶液液滴竖直撞击荷叶表面的动力过程,其撞击速度为0.3~3m/s。实验结果表明,水滴与低相对分子质量（5×10⁴）的PEO液滴撞击荷叶表面的行为现象相似,两者随撞击速度增加依次有规则反弹、向上发射卫星液滴、不规则反弹（或部分反弹）、液滴破碎和液指断裂分离小液滴等现象发生,但水滴的接触时间更短,最大铺展系数也更小。中等相对分子质量（3×10⁵）PEO液滴在低速和高速撞击时分别为振荡弹起模态和振荡模态,临界速度为1.13m/s。高相对分子质量（1×10⁶、4×10⁶）的PEO液滴,其高分子长链与表面交互作用显著增强,表现出很强的黏性,撞击后反弹完全被抑制,均黏附沉积于荷叶表面;液滴发生沉积的临界Oh数为0.0544,且Oh数越大,液滴越难发生反弹。速度一定时,相对分子质量3×10⁵以上的3种PEO液滴的最大铺展系数均小于水滴;三者的上升系数随速度增加先减小后保持基本稳定或略微增加。     

湿气管道积液临界气速预测的新模型

气田开发经常采用湿气集输方案。针对湿气输送管道出现的积液问题，基于分层流最小界面剪切应力准则，利用气液平界面分层流液膜区的速度分布规律，建立了求解积液临界气速的新机理模型。由分层流液膜区的流场描述和气相动量方程得到气液界面剪切应力的表达式；利用界面剪切应力函数曲线特性，可以通过界面剪切应力关于持液率求导获得临界气速。以不同文献中收集的临界气速实验数据，对新模型和其他具有代表性的湿气管道积液模型进行验证对比，表明新模型的预测精度要优于其他模型。     

立体传质塔板CTST喷射特性的研究

立体喷射型塔板的喷射状况对气液两相接触面积有重要影响。在直径570 mm的冷模实验塔内,采用高速摄像仪对CTST的喷射过程参数进行了实验研究,并且基于不稳定波动理论建立了液滴群平均粒径的计算模型。结果表明:喷射孔气速是影响喷射锥角的关键因素,随着喷射孔气速的增加喷射锥角逐渐增大,当喷射孔气速超过7.5 m?s-1时,喷射锥角趋于恒定,其数值稳定在55°左右。随着气速的增加喷射孔处液膜速度显著增大,而液体流量增加时液膜速度略有减小,越靠近喷射孔顶端液膜速度越大。喷射区域内液滴的分布密度接近于Rosin-Rammler分布,在喷射锥角为[20o,40o]区间内的液滴数量比较集中,随着气速和液体流量的增大,液滴分布密度逐渐趋于均匀。液滴群平均粒径随气速的增加而减小,随液量的增加略有增大。正常工作范围内,液滴群平均粒径为1.0~2.5 mm。     

液滴撞击有机玻璃固壁的实验和数值研究

通过实验和数值模拟相结合的方法,探究了液滴撞击有机玻璃固壁的运动过程以及铺展和振荡规律。数值模拟提出了新的分段式动态接触角(SDCA)模型,模拟结果与实验结果吻合良好。研究结果表明,有机玻璃壁面受到液滴撞击时最大压力出现在气液固三相交界线上。