电场作用下液滴分裂动力学行为的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法（LBM）伪势模型,耦合流场和电场控制方程,研究了电场作用下油水共存体系中水滴分裂的动力学行为及特性,借助形变率衡量液滴的形变大小,展现了液滴从形变至分裂的动态演变过程,分析了外加电场大小和液滴内外介电常数比对液滴分裂行为的影响。结果表明：外加电场能促使液滴发生振荡形变,且存在临界电毛细数和临界介电常数比决定液滴是否发生分裂：高于临界值,液滴形变率振荡幅度随时间不断增长,最终发生分裂;低于临界值,则液滴形变率振荡幅度不断衰减,并最终趋于一稳定值。在此基础上,综合考虑电场强度与介电常数比的影响,提出了基于现有电毛细数的修正电毛细数唯一地表征电场作用下液滴分裂与否。     

均匀电场中液滴变形特性的耗散粒子动力学模拟

基于耗散粒子动力学方法,建立了电场作用下近似的液滴粒子力学模型,对两相不相溶液体中液滴在电场作用下的变形特性进行了模拟。模拟结果与他人的实验结果比较表明,模拟结果对液滴形状随时间的演化预测基本符合实际,仅在液滴变形较大时有一定偏差。模拟结果还表明,当外加场强较小时,液滴变形度随时间呈现振荡状态,变形度不会随时间继续增大。增大外加场强,液滴变形幅度增大,振荡频率变慢。当外加场强增大到一定程度时,液滴变形度不再振荡,而是随时间急剧增大,以至液滴最终破碎。场强越大,液滴破碎所需的时间也越短。     

电场作用下液滴的变形及库仑分裂模式

基于高速成像技术,本文对电场作用下甲醇液滴的显微形貌特征进行了可视化研究,精确捕捉了两相流体系中不同生长阶段的荷电液滴基于时间分辨特性的变形及库仑分裂演变行为,得到不同工况下荷电液滴的变形分裂过程及行为演化细节。基于液滴所受库仑力和介电泳力与周围流域的耦合作用,揭示了电场作用下不同生长阶段的液滴库仑分裂形成机理。结果表明,电场强度和液滴粒径是决定液滴变形及库仑分裂模式的主要因素,荷电液滴的变形及库仑分裂模式可以分为推压变形、顶部破碎、顶部-边端破碎、伞状破碎。结合量纲为1参数对液滴的变形及破碎特征进行了定量分析,随着电场强度的增大及液滴粒径的减小,液滴变形及顶部破碎的程度更加剧烈,液滴临界伞状破碎长度减小。     

非均匀电场下乳化油中液滴变形动力学行为

外加电场下液滴的变形动力学行为是乳化液电脱水机理研究的重要内容。基于Cahn-Hilliard方程的相场方法,建立了液滴在非均匀电场下的仿真模型,研究了电场作用下乳化液中液滴在形变、移动和聚结过程中电荷密度和电场力的分布规律,以及流场和电场的耦合作用。仿真分析了液滴粒径、电场强度以及电场非均匀系数对液滴运动行为的影响。利用实验室小型脱水系统开展了乳化液脱水实验,并通过高速摄像机对乳化液中液滴的运动行为进行了观测与分析。研究结果表明,在非均匀电场中液滴表面的极化电荷分布不均,由液滴中部向两端逐渐增大,在靠近电场集中方向处的电荷密度和Maxwell应力值最大;在一定范围内增大电场强度、电场非均匀系数或液滴粒径,可使液滴形变量增大,液滴向电场集中区域的移动速度以及液滴间的聚结速度增加。     

电场对液滴界面张力及动力学特征影响的研究进展

电场是改变液滴界面张力的重要因素,施加不同类型的电场对驱动微流体运动、变形、分裂及合并等行为起着至关重要的作用,该技术广泛用于微液滴操控、电子显示和原油脱水等领域,并具有潜在的应用前景。文中综述了电场作用下微液滴气-液、气-固与液-液交界面张力的变化,分析了与界面张力对微液滴运动学行为影响相关的实验现象及模拟成果;指出电场作用下气-液交界面处表面张力的变化趋势,因实验及模拟方法不同目前仍存在较大争议;探讨了直流电和交流电对电润湿过程液滴铺展的不同影响和液滴形态振荡特征;分析了直流电、交流电及电脉冲对电破乳过程中液滴运动行为的重要作用。总结了电场对液滴界面张力影响研究中存在的问题,并提出了值得进一步深入研究的可能方向。     

T型微流控芯片中微液滴破裂的数值模拟

利用VOF模型对T型结构微流控芯片中微液滴的三维破裂过程进行了数值模拟,获得了液滴发生破裂和不会破裂两种流型。一定轴向长度的微液滴对应着一个临界毛细数,当主流流体的毛细数大于此临界毛细数时,微液滴发生破裂并分别流向T型结构两侧;否则不会发生破裂,微液滴流向任意一侧。通过多个工况的计算,拟合了临界毛细数与微液滴相对轴向长度的关系,探讨了黏度比对微液滴破裂的影响。发现黏度比越小,微液滴越易发生破裂。     

脉冲电场作用下水滴动态响应特性研究

通过利用comsol数值模拟软件,对脉冲电场作用下的液滴运动规律进行模拟,建立液滴在脉冲电场作用下的物理模型和乳状液界面动力学模型;研究脉冲电场中乳状液的电场强度、占空比、介电常数等参数对液滴的变形行为的影响;针对脉冲电场中乳状液的电场强度、分散相水滴的受力以及各电场参数对水滴变形的作用机理等进行深入探讨,最终得到的水滴变形速率方程,能够较为客观地反映出脉冲电场作用下水滴的变形规律,具有一定的指导意义。     

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。     

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。     

电场强化错流膜过滤的研究

电场强化错流膜过滤技术可有效改善膜污染和浓差极化对错流过滤带来的不利影响。就电场膜过滤装置、机理、外加电场及影响渗透通量的因素这4个方面进行综述。目前研制的新型附加电场中空纤维膜组件克服了传统膜过滤组件的缺点,显示出很大的工程应用前景。电场强化错流膜过滤中会发生电泳和电渗等电动力学效应以及电化学效应。电泳是减缓膜污染一个主要因素,电泳和电渗两者共同作用,可以大幅提高过滤通量。采用脉冲电场可以减缓过滤速率的衰减幅度,节省单位体积滤液的电功率比耗。当颗粒具有较高Zeta电位、外加场强及跨膜压力接近临界值、错流速率较高时,过滤通量极限值将会得到提高。     

双重乳液液滴在剪切流场中变形的数值模拟

制备高质量的大尺度聚α-甲基苯乙烯微球是激光惯性约束聚变靶丸的关键技术之一。研究了以旋转蒸发的流场为基础,简化为套筒旋转生成典型的剪切流场所生成外水相流场条件下油相/内水相复合液滴的运动、变形特性。结果表明:乳液液滴的形变主要受黏性剪切力和表面张力的作用。在相同条件下,乳液液滴内部的变形程度要小于液滴整体的变形程度。在相同的剪切力条件下,复合液滴毛细数Cawh随界面表面张力的减小而增大,液滴的变形程度随着Cawh数的增大而加剧。因此,表面张力是微球维持球形度的主要动力。当增加剪切率使得Cawh和复合液滴雷诺数Rewh达到0.22时,液滴发生断裂。     

新型静电聚结器中水滴聚结特性研究

传统电脱水器采用裸电极,含水率较高时在高强电场作用下容易发生击穿现象,今设计了包覆绝缘层的高压电极并加工了新型静电聚结器,可有效避免击穿现象的发生。采用水/原油乳状液为实验介质,并利用显微高速摄像系统结合图像处理技术对水滴的聚结规律进行了观察和分析,探索了电场强度、流量、含水率等因素对水滴聚结特性的影响。结果表明:包覆绝缘层的高压电极可有效防止电击穿现象的发生,增加电场强度有助于油水分离,但高于临界场强后容易导致液滴破碎;含水率为10%、20%、30%时,最优电场强度不同,分别是372、320和204 kV m 1;含水率10%和30%乳化物液滴粒径增大倍数明显大于含水率20%的工况;电场作用时间影响液滴聚结效果,高强电场在低流量下具有很显著的作用;随着流量的增加电场作用降低,但高强电场在高流量下依然使液滴粒径明显增大。     

平面上固定接触角蒸发液滴内Marangoni对流失稳现象

实验观察了水平加热基板上1cSt硅油液滴在固定接触角蒸发模式下的Marangoni对流失稳模式的演化规律,分析了接触角和基板温度对Marangoni对流不稳定性的影响。结果表明,随着基板温度的升高液滴内依次呈现热毛细对流、稳定的Bénard-Marangoni（BM）对流和不规则振荡的BM对流。对于稳定的BM对流,涡胞数随润湿半径的减小逐渐减少;当涡胞数少于5时,涡胞变为圆形;随着接触角的增大,由热毛细对流转捩为稳定的BM对流时的临界Marangoni数（Ma_c）增大;蒸发过程中,液滴内无量纲涡胞数随无量纲润湿半径的增大而线性增大,与接触角无关。     

电场作用下基面液滴蒸发与内部流动数值模拟

为探究电场强化基面液滴蒸发的原理,本文采用有限元方法,对外加电场作用下的固体基面上液滴的蒸发过程进行了数值模拟,对比了不同电导率液滴的蒸发过程,分析了电场、液滴蒸发速率和内部流动的影响及其成因,以及液滴在电场作用下的内部流动与液滴传热传质的关系,结果表明,电场力的作用能够显著强化液滴内部的流动,对液滴的传热传质具有促进作用。此外,本文分析了温度对电场下基面液滴蒸发及内部流动的影响,发现温度对电场、液滴内部流动及蒸发的强化作用也有着较为明显的影响：对于电导率较低的纯水液滴,当电场强度低于和高于临界值6kV/cm时,温度对电场强化液滴内部流动和蒸发的影响有所不同;对于电导率较高的盐酸液滴,温度对电场强化液滴内部流动和蒸发的影响随电场强度升高均较大。本文为发展高效静电喷雾冷却技术提供了研究基础。     

高压高频脉冲电脱水机理探析

对电场作用下W/O乳化液中分散相水滴进行了受力分析,并探讨了高压高频脉冲电脱水机理。分析表明,水滴相互靠近、即将聚并时,阻力显著增加,阻力大小与水滴粒径、间距、连续相粘度以及排液系数等有关;电场强度介于临界破乳场强和临界乳化场强时,水滴发生聚并且不发生电分散;水滴在脉冲电场下的受迫振动频率与其固有频率相接近时,共振效应最为明显;脉宽比适中时,静电极化效应明显,可避免电场能泄漏、垮电场等事故的发生。     

平面上固定接触角蒸发液滴内Marangoni对流失稳现象

实验观察了水平加热基板上1c St硅油液滴在固定接触角蒸发模式下的Marangoni对流失稳模式的演化规律,分析了接触角和基板温度对Marangoni对流不稳定性的影响。结果表明,随着基板温度的升高液滴内依次呈现热毛细对流、稳定的Bénard-Marangoni(BM)对流和不规则振荡的BM对流。对于稳定的BM对流,涡胞数随润湿半径的减小逐渐减少;当涡胞数少于5时,涡胞变为圆形;随着接触角的增大,由热毛细对流转捩为稳定的BM对流时的临界Marangoni数(Ma_c)增大;蒸发过程中,液滴内无量纲涡胞数随无量纲润湿半径的增大而线性增大,与接触角无关。     

直流脉冲电场下液滴-界面聚并行为

为了深入探究直流脉冲电场下液滴-界面聚并行为,针对去离子水作为分散相、葵花油作为连续相的体系,分别改变电场参数（电场强度、频率、波形）和物性参数（界面张力、电导率、液滴粒径、固体颗粒）进行显微实验研究,得到了液滴-界面聚并机制及各参数的影响规律。实验结果表明,液滴-界面存在完全聚并和不完全聚并两种机制,决定因素是泵吸和颈缩过程的相互作用。电场强度增大,不完全聚并程度增大,而电场频率的作用则相反,这与电场力大小和液滴稳定程度有关。随表面活性剂浓度增大,二次液滴急剧增大,超过临界胶束浓度后,小幅减小。随电导率和SiO₂浓度增大,不完全聚并程度均先增大后减小,而随液滴粒径增大,不完全聚并程度持续增大。大部分工况下,液滴在直流稳恒电场下不完全聚并程度高于直流脉冲电场。为脉冲静电破乳机理的深入探讨及高效紧凑脉冲电脱盐脱水设备的研发奠定了理论基础。     

电场中汽泡行为的变化及对沸腾换热的影响

为进一步探索电场强化沸腾换热的机理,利用高速摄像仪对沸腾汽泡在电场作用下的生长过程进行了可视化实验研究,实验观察到电场作用下汽泡生长的动态图像,并对电场作用下汽泡行为的改变对沸腾换热的影响进行了初步分析。研究结果表明：电场作用下汽泡沿场强方向伸长,随着场强的升高,汽泡的脱离长径比增大,脱离体积减小,脱离频率增大。汽泡变形是由于汽泡受到电应力的作用,电应力在赤道方向压缩汽泡,在极轴方向拉伸汽泡,使得汽泡沿场强方向变细变长。由于在电场作用下汽泡行为的变化使得沸腾传热系数和临界热流密度提高。     

液滴在高压静电场中分散现象的实验研究

液滴在高压电场的作用下将分散成粒径细小的均匀雾滴。用涂有硅油的玻璃板对分散后的雾滴进行收集,通过统计学的方法即可测出雾滴平均粒径的大小。实验测量了不同液体的雾滴在不同电压下的平均粒径以及丙三醇在不同流量下雾滴平均粒径随电压升高的变化趋势,意在考察电压和流量这两大因素对液滴分散的影响。实验发现每种液体都存在一个临界电压,只有当电压超过临界值时,液滴才会发生大面积的分散。而在其它条件不变的情况下,流量的升高将导致临界电压的升高及平均粒径的增大。     

直流脉冲电场下液滴-界面聚并行为

为了深入探究直流脉冲电场下液滴-界面聚并行为,针对去离子水作为分散相、葵花油作为连续相的体系,分别改变电场参数(电场强度、频率、波形)和物性参数(界面张力、电导率、液滴粒径、固体颗粒)进行显微实验研究,得到了液滴-界面聚并机制及各参数的影响规律。实验结果表明,液滴-界面存在完全聚并和不完全聚并两种机制,决定因素是泵吸和颈缩过程的相互作用。电场强度增大,不完全聚并程度增大,而电场频率的作用则相反,这与电场力大小和液滴稳定程度有关。随表面活性剂浓度增大,二次液滴急剧增大,超过临界胶束浓度后,小幅减小。随电导率和SiO_2浓度增大,不完全聚并程度均先增大后减小,而随液滴粒径增大,不完全聚并程度持续增大。大部分工况下,液滴在直流稳恒电场下不完全聚并程度高于直流脉冲电场。为脉冲静电破乳机理的深入探讨及高效紧凑脉冲电脱盐脱水设备的研发奠定了理论基础。