不同电场波形下液滴极化变形规律研究

为了深入研究电场波形对液滴变形的影响,基于相场方法,建立了互不相融两流体中液滴变形的仿真模型,实现了流场和电场的耦合。模拟研究了直流脉冲、半正弦波、半三角波和半锯齿波4种电场波形对液滴变形的影响。模拟结果显示,液滴变形度曲线与电场波形相似,且液滴振荡变形的频率与电场频率相同。此外,还研究了以上4种波形电场的场强幅值和频率对液滴变形度的影响。结果显示,电场的均方根RMS越高,液滴变形度越大;随着场强幅值的增加,4种波形条件下液滴变形度近似呈指数增加;随着频率的增加,直流脉冲和半正弦波电场条件下液滴变形度呈先增加后减小的趋势,存在最佳频率40 Hz,半三角波和半锯齿波电场条件下液滴变形度近似呈线性减小。     

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。     

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。     

基于相场法模拟液滴在电场作用下的聚结特性

随着三元复合驱试验区的逐步扩大,联合站电脱水设备垮电场的问题日益凸显。为研究竖挂电极电脱水器中水滴的动力学行为及其影响因素,采用相场法模拟电场作用下分散液滴的变形和聚结过程,分析了电场强度、液滴距离、液滴直径和连续相粘度对液滴运动特性的影响。利用自制电脱装置和现场采出液开展了实验研究,实验结果与模拟结果相吻合。模拟研究结果表明,在竖挂电极中,随着电压的增大,聚结时间越短,但是存在最佳电场范围,当电场强度高于3000V/cm时,会发生电分散的现象。随着液滴直径变大,液滴聚结时间变短;随着液滴间距的变小,液滴聚结时间变短,但液滴开始作用的间距不能简单地用几倍直径来表示。实验研究结果表明电场强度越大脱水效果越好,作用时间越长脱水效果越好,所得结论可为现场电脱水器参数的选取提供参考。     

高频脉冲电场参数对水滴极化变形的影响

在理论分析基础上进行显微实验,得到了高压高频脉冲电场参数对水滴极化变形的影响规律。结果表明,随电场强度的增加,水滴的变形度近似呈抛物线形增大,水滴的极化弛豫时间降低,极化电荷的迁移速度增加,水滴最大变形度所对应的电场频率增大。电场频率过低时,油水乳状液的电容较大,极化电压过小,极化程度较低;电场频率偏离水滴固有频率越多,水滴的振荡幅度及共振效应越差,水滴的变形受到抑制。随占空比的增加,作用于水滴的电场能随之增加,水滴变形度增加;占空比过大,部分电场能经油相发生泄漏,水滴变形度小幅降低。研究发现,高压高频脉冲电场作用下,各电场参数间的交互作用对水滴极化变形的影响不可忽略。上述研究成果为高压高频脉冲静电破乳机理的深入探讨奠定了基础。     

激波与亚毫米液滴相互作用的二维和三维数值模拟研究

为了研究激波与亚毫米液滴相互作用过程,基于现有的实验结果,利用Fluent平台,采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型和k-ε湍流模型,通过二维数值模拟分析了不同韦伯数(We)对亚毫米液滴变形演化过程的影响规律,通过三维数值模拟揭示了亚毫米液滴爆炸式破碎机理。结果表明,韦伯数对液滴变形有促进作用,韦伯数越大,液滴在压缩变形阶段所需要的时间越短;在气动力不变的条件下,相同液滴直径条件下,马赫数越大,液滴所受的气动力越大,液滴质心位移的无量纲加速度越大,低韦伯数下液滴的横向展开速率随韦伯数增大而减小,而高韦伯数下液滴的横向展开速率随韦伯数增大而增大。数值模拟结果与对比实验结果相近,有效阐明了韦伯数对亚毫米液滴变形的作用。     

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。     

电场作用下沸腾气泡行为实验

为了进一步探讨电场对沸腾传热强化机理,以水为实验工质,实验研究了电场作用下沸腾单个气泡的行为特性。通过直接加热法产生单个沸腾气泡,并利用高速摄像机拍摄观察了不同热流密度和电场强度组合工况下气泡的生长过程,并对该过程中对电场作用下气泡的脱离形态、周期和长径比等行为特性变化进行了相关定性分析,根据实验结果和相关定性分析,进一步合理阐释了电水动力学强化沸腾传热机理。结果表明:外加电场工况后,电场对沸腾气泡的脱离形态有显著的影响,气泡沿场强方向拉伸变形且场强越大,拉伸变形越明显;气泡的脱离长径比随着电场强度和热流密度的增大而变大;气泡的脱离周期随着电场强度和热流密度的增大而减小。这表明电场和热场协同作用有助于减小气泡的停留时间来减小热源于流体之间的热阻,进一步说明电场和热场对沸腾强化传热有一定的影响。     

高压交流电场中单液滴变形度影响因素

采用不同的白油和水为实验介质对高压交流电场作用下单液滴的变形特性进行了研究。研究了电场强度、油品黏度、界面张力以及液滴直径等因素对液滴变形度的影响规律,并利用显微高速摄像系统结合图像处理技术对单液滴的变形规律进行了观察和分析。结果表明：液滴变形度主要受电场强度、液滴直径以及界面张力等的影响。与电场强度的N（1.7<N<2.4）次幂呈正比;与液滴直径近似呈线性关系;界面张力较低时,液滴更容易变形。油品黏度对液滴变形度没有明显影响。在变形度较小时,离心率和Weissenberg数具有较好的一致性,但We不适用于变形度较大的情况。     

匀强电场作用下分散相液滴的变形和破裂

基于Cahn-Hilliard方程的相场方法,建立了在匀强电场作用下液滴的变形和破裂行为模型。从微观角度研究分散相液滴变形过程中电荷密度、电场强度和电场力的分布规律以及流场和电场分布,探讨了微观液滴变形机理;采用数值模拟方法研究了电场强度、液滴直径和界面张力对液滴变形的影响,结果表明电场强度越强,液滴直径越大,界面张力越小,液滴变形量越大;分析了液滴的两种主要破裂方式,其破裂主要取决于连续相和分散相物性条件,为电破乳技术提供了理论基础。     

混炼机横截面PP熔体液滴分散过程的数值模拟研究

对Fluent进行二次开发,通过用户自定义函数,将黏弹性流体的动量方程和变形张量输运方程加载到Fluent中,从而实现了对聚合物黏弹性流体流动的模拟。采用VOF界面追踪方法,对聚合物熔体中的单个液滴在混炼机横截面流场作用下发生的变形、破碎行为和二次团聚过程进行了分析研究。探讨了液滴在混炼腔复杂流场中的分散过程和微观结构的形成机理,对揭示共混改性过程中分散相织态结构发展演变过程和机理具有指导意义。结果表明,PP液滴在混炼过程中经历了变形、破碎、聚并过程;PP液滴在C形区发生了不均匀变形行为,在相互作用窗混沌流场下发生了拉伸、挤压、交叉行为;PP液滴的破碎行为包括毛细不稳破碎、末端夹断以及在螺棱背风面的松弛破碎。     

Deformation and breakup of water droplets containing polymer under a DC electric field

The deformation and breakup behaviors of droplets containing polymer are investigated by high-speed photography to reveal the mechanism of electric field collapse when treating the emulsion containing polymer. The results show the electric field collapse process caused by droplet breakup consists of three steps. First, the droplet containing polymer ejects liquid filament under strong electric field. Second, the liquid filament is continuously stretched until it touches positive and negative electrodes. Finally, the severe Joule heating effect appears because the strong electric current flows through the liquid filament. The release of a large amount of heat causes the formation, expansion, and collapse of bubble, resulting in the fracture of liquid filament and the collapse of electric field. The increase of polymer concentration strengthens the Joule heating effect and enlarges the influence scope of bubble expansion and collapse. These findings provide significant guidance for the stable operation of electric dehydrator.     

Drop Deformation and Breakup Mechanisms in Viscoelastic Model Fluid Systems and Polymer Blends

This paper reviews the dispersion mechanisms in viscoelastic systems under relatively high shear rate conditions. In particular, two non‐Newtonian deformation and breakup mechanisms were revealed by flow visualization in a transparent Couette shearing setup. The first one is the dispersed droplet elongation perpendicular to the flow direction. This was observed only for viscoelastic drops and had been associated to normal force buildup in the droplet. The second deformation/breakup mechanism was observed in very high viscosity ratio polymer systems. It consists in erosion at the drop surface. Clouds of very small ribbons and sheets were developed around the drop then stretched and finally broken into very small droplets, rapidly distributed in the matrix.     

Electrically stressed water drops in oil

The deformation of water droplets in an electric field has been studied in hydrocarbon liquids. A water drop will elongate in an electric field due to the electrostatic pressure, and becomes unstable when a critical field limit is reached. By applying different voltage waveforms it is possible to measure both transient, time varying and static effects. An experimental method has been developed to study the rheological properties of the water droplet. The experimental results in surfactant-free model oil are in good agreement with classic Taylor theory. In diluted crude oil a correlation was found between the drop behavior in an electric field and the interface elasticity modulus, measured by dilational interfacial rheology. The static drop deformation was reduced with increasing elastic modulus due to adsorption of polar surfactants to the water/oil interface. Drop surface oscillations will be damped by the viscosity of the bulk liquid. The dynamic drop behavior was studied in viscosity standards prepared from different concentrations of polystyrene in toluene. The drop oscillations were modeled as damped oscillator, and the influence of viscosity on the eigen-frequency and damping coefficient was studied for different drop sizes. The oscillations can also explain the premature break-up of water droplets sometimes observed in the experiments.