塑化剂对玉米醇溶蛋白膜表面及机械性质的影响

研究了塑化剂种类(甘油、油酸和聚乙二醇)、用量对玉米醇溶蛋白(zein)膜表面和机械特性的影响及塑化剂对zein成膜液黏度、成膜后表面形貌、水分吸附特性的影响。结果表明:含油酸的成膜液黏度最大,含甘油的成膜液黏度最小,成膜后表面呈现不同的形貌图;蛋白膜的水分吸附特性与塑化剂亲水性变化趋势一致,随甘油、聚乙二醇和油酸顺序而下降;油酸和聚乙二醇塑化的zein膜的表观接触角随塑化剂含量的增加而增加,甘油膜却呈相反趋势;蛋白膜表面润湿动力学可用指数方程模型表征,动态接触角变化速率表现为甘油膜聚乙二醇膜油酸膜;随塑化剂含量增加,聚乙二醇蛋白膜抗拉强度(TS值)下降,延伸率(EB值)却急剧增加,甘油和油酸蛋白膜的TS值和EB值具有相同的变化趋势但效果不明显。     

垂直圆盘液膜厚度特性实验研究

垂直圆盘表面液膜厚度受离心力、重力、黏性力以及惯性力等多重因素的影响,合力随着位置的变化而变化,液膜分布复杂。借助激光探头测量圆盘表面不同位置处液膜厚度随物性及转速的变化规律,结果表明:固定位置处液膜厚度与转速非正相关,部分区域膜厚随转速的增加先增加,出现极值后减小至某一恒定值,而部分区域膜厚与转速成递增函数关系后便达到恒定值。圆盘表面的成膜性与黏度和转速关系密切,低黏物系在低转速时,盘面很难成膜;随着转速的提高,部分区域成膜,但整体成膜率低;当黏度提高后,低转速下就能达到高成膜率。固定物系与转速,旋转圆盘不同位置处膜厚存在差异,均一性较差,在设计圆盘时,简单用平均膜厚表征圆盘表面液膜特性可能会失真。     

旋转盘反应器流场特性的PIV测试和CFD模拟

通过PIV实验和CFD数值模拟研究了旋转盘表面的流动特性和变化规律。基于VOF多相流模型和Realizablek-ε湍流模型,CFD模拟结果与实验结果形成对比,考察了不同转速和流量条件下旋转盘表面的液膜厚度分布、停留时间和分布情况。结果表明:盘的中心区域受流速控制,流动方向更接近径向流动,边缘区域受转速控制,流动方向更接近圆周流动。液膜厚度随径向半径的增大先增大后减小,转速的增加导致边缘区膜厚减小。流速的增加导致中心区域的膜厚度减小和边缘区域的膜厚度增加。平均停留时间随转速和流速的增加而降低。停留时间分布表明,在实验条件下,液体流动更接近活塞流动。     

圆盘反应器液膜表面更新数值模拟

以圆盘反应器的开发和放大为背景,通过理论分析将液膜更新频率与液膜变形相关联,运用VOF模型研究竖直旋转圆盘液膜更新频率空间分布特性;将量纲分析与数值模拟相结合考察影响普通圆盘液膜平均更新频率的相关因素;从表面更新的角度研究自由膜与附壁膜的差异,优化圆盘结构。结果表明:圆盘表面液膜加速区液膜更新频率最快,较其他区域高150%,较平均值高75%;获得了普通圆盘液膜平均更新频率表达式;圆盘开窗形成自由膜,更新频率比附壁膜高40%以上;相同面积圆形窗区域自由膜更新频率比扇形窗自由膜高34%,但是扇形窗自由膜对附壁膜强化作用更明显。     

规整填料表面液膜流动特性的数值模拟

精馏过程气液两相流运动分布特征对分离效率具有重要影响。为研究规整填料表面液膜流体动力学特性建立了基于VOF方法的CFD分析模型,并基于文献试验结果进行了验证。对液膜随时间和空间的演化分布特征、速度场分布和液相流量影响进行了模拟分析。液膜在波纹顶部下沿聚集形成凸起状波峰,在波纹底部波峰消失,而到达下节波纹上沿时,波峰重新形成;瞬态液膜厚度随时间波动,且沿填料表面液膜平均厚度先减小后保持稳定;发现液相聚集及形成液滴坠落容易导致出现干板区。不同位置液膜速度分布存在明显差异,沿填料表面液膜平均速度先增后减或保持稳定;液膜绕过波纹顶部时会加速,在波纹底部和上沿处会减速。液相流量增大,液膜平均厚度和速度均有所增大。     

功能表面材料与流体界面相互作用对垂直降液膜流动特性的影响

通过调节水温度、添加表面活性剂以及铝合金壁面表面改性处理来改变降膜流体与固体表面之间的表面自由能差值,运用JDC-2000型精密测微仪测定垂直降液膜的厚度,研究固体表面和液体间相互作用对流体垂直降膜流动特性的影响;考察了液膜雷诺数、流体温度、添加表面活性剂、固体表面材料物理化学性质等因素对垂直壁面降液膜流动特性的影响规律。实验结果表明:改变固体表面与降液膜流体的物理化学特性,即改变固液界面的相互作用能够改变流体的降膜流动特性。降液膜平均厚度随液固表面自由能差的增大而减小。     

不同聚合物浓度对聚醚砜微滤膜性能的影响

研究了不同聚合物浓度对浸没沉淀相转化法制备聚醚砜(PES)微滤膜的形态结构、成膜厚度、孔隙率、过滤性能、亲水性的影响。实验结果表明:随聚合物浓度的增加,铸膜液黏度增大,导致铸膜液分相固化时间较短,表面孔隙率逐渐减少,且成膜孔隙率、纯水通量及膜亲水性均在聚合物浓度为14%时呈现最佳值。     

静电场中极板表面液膜蒸发特性研究

以静电场中水分子的极化和受力特性为基础,对热干烟气中极板表面液膜内水分子输运过程进行分析。考察了电场特征、液膜物性对静态高压电场中液膜蒸发特性的影响并提出了蒸发模型;同时研究了多场(温度、速度和静电)耦合作用下液膜蒸发过程中的主导作用机制。结果表明:离子风为静态高压电场中液膜蒸发的主要动力,蒸发速率是自然蒸发的6.7倍(25 kV)。液膜蒸发为等速过程,蒸发速率与电场强度呈正相关关系;液膜加入溶质,蒸发过程受抑制,蒸发模型变为等速和降速两个过程,最终液膜表面析出溶质;流场耦合静电场作用下,液膜蒸发速率随电压升高先缓慢上升(U20 kV)后快速上升(U20 kV),流速和电压分别是这两阶段的主要影响因素;温度场耦合静电场作用下,蒸发速率大于单场叠加数值。研究结果为热干烟气中极板表面稳定成膜、系统水耗及空间电场中温湿度分布等问题的研究提供理论支撑。     

高雷诺数下管内垂直降膜瞬时厚度空间分布及波动特性

研究了高雷诺数条件下(Rel=2.04×104)洗涤冷却管内下降液膜的空间分布及波动特性。采用超声波多普勒测速仪对不同轴向和周向位置的下降液膜瞬时厚度进行了无接触测量。结果表明:在高雷诺数条件下,管内液膜处于高湍动状态,液膜表面波动剧烈,平均参数无法准确描述液膜空间分布及波动特性。随着轴向和周向距离的增加,膜表面波动幅度及大波频率减少,小波频率增加。轴向上,液膜瞬时厚度概论密度分布函数(PDF)曲线波峰高度随轴向距离增加而增高;周向上,PDF曲线呈单峰-双峰-单峰分布。     

铸膜条件对相转化法制备PVDF微滤膜性能的影响

研究了浸没沉淀相转化法制备聚偏氟乙烯(PVDF)微滤膜过程中挥发时间、凝胶浴温度、铸膜厚度和铸膜速度对成膜的形态结构、孔隙率、过滤性能以及污染性能的影响。结果表明,随挥发时间延长,成膜孔隙率变小,纯水通量先增加后减小,以10 s为挥发时间制得的膜抗污染性能最强;随凝胶浴温度的升高,孔隙率、纯水通量及抗污染性能先增大后减小,在45℃成膜污染速率最低;随铸膜厚度的增加,纯水通量逐渐减小,孔隙率呈现先增加后减小的规律,且铸膜厚度为0.25 mm时成膜抗污染性能最好。     

Measurement of liquid film thickness and the determination of spin-up radius on a rotating disc using an electrical resistance technique

A method of rapid measurement of liquid film thickness on a spinning disc surface is presented. The concepts used are based on the analysis of the electrical resistance of the liquid film and its relationship to film thickness when high frequency voltages are applied. A comparison with the Nusselt model is made for a wide range of operating conditions. Experimental data are presented and calculations of mean radial flow velocity based on film thickness measurements are made and shown to compare well with a simplified two-dimensional model. An empirical model for the extent of the spin-up radius is developed to provide a guide to the zone at which the Nusselt model breaks down.     

Computational Fluid Dynamics Modeling of Gas‐Liquid Two‐Phase Flow around a Spherical Particle

Microscale studies, which can provide basic information for meso‐ and macroscale studies, are essential for the realization of flow characteristics of a packed bed. In the present study, the effects of gas velocity, liquid velocity, liquid‐solid contact angle, and liquid viscosity on the flow behavior were parametrically investigated for gas‐liquid two‐phase flow around a spherical particle, using computational fluid dynamics (CFD) methodology in combination with the volume‐of‐fluid (VOF) model. The VOF model was first validated and proved to be in good agreement with the experimental data. The simulation results show that the film thickness decreases with increasing gas velocity. This trend is more obvious with increasing operating pressure. With increasing liquid velocity, the film thickness tends to be uniform on the particle surface. The flow regime can change from film flow to transition flow to bubble flow with increasing contact angle. In addition, only at relatively high values does the liquid viscosity affect the residence time of the liquid on the particle surface.     

洗涤冷却管内垂直降膜流动特性

采用双平行电导探针对多喷嘴煤气化过程中洗涤冷却管内垂直降膜的液膜厚度分布进行了实验研究,研究发现,经洗涤冷却水分布环分配后在洗涤冷却管内形成的液膜在进口段200～400 mm处呈明显的不均匀分布,液膜厚度差值高达3 mm。流动方向上的液膜波动变化与平均液膜厚度变化相似,但具有滞后性。研究还表明,在2.4～14 m³·h^-1的进水流量范围内,整体液膜厚度随着流量的增大而增大,由此对洗涤冷却管内液膜充分发展区的平均液膜厚度建立了经验关联式。实验还发现,洗涤冷却水分布环的槽缝宽度对液膜分布影响显著,在本文研究条件下,最佳槽缝宽度为3 mm,槽缝宽度继续增大,液膜的均匀性下降。另外,随着气相表观速度的增大,整体液膜厚度减小,但一定程度上改善了液膜分布的均匀性。     

Hydrodynamics and film formation characteristics in a horizontal self-cleaning twin-shaft kneader for polymer devolatilization

A deep understanding of hydrodynamics and film formation characteristics is a prerequisite for the design of twin-shaft kneaders. In this work, the hydrodynamics and film formation characteristics of a self-cleaning twin-shaft kneader are investigated using computational fluid dynamics method. Because of the intermeshing interaction and scratching action of the kneader rods, both bounded films and free films coexist in the kneader. Since both shafts rotate clockwise, more liquid is accumulated in the left cylinder. The liquid level of the left cylinder is higher which reduces the film formation rate of the left zone. The film formation rate in the right zone is 1.3–1.8 times that of the left zone and overlapping zone. The differences between the left and right cylinders would cause inconsistent devolatilization performances. To reduce the negative effects of asymmetric level, a static kneading rod is used to reduce the liquid level of the left zone and increase the film formation rate by 15%. We notice that adding a static kneading rod reduces the power consumption by 10%–30% compared with increasing the rotating speed to the same film formation rate. It could be an efficient method for polymer devolatilization.     

波纹板表面流体流动特性的数值模拟

利用计算流体动力学CFD商业软件FLUENT,以多相流模型中的VOF模拟为基础,建立了波纹板式的计算模型,考察了液体流速、板面结构、液体物性对液膜流动的影响。模拟结果表明,在一定范围内,随着流速的增加,液膜的厚度和流动时间都减小;波纹板结构直接影响液膜流动,凹槽较浅的波纹板有利于连续液膜的产生,波谷滞留液内发生液体回流形成漩涡;液体的表面张力直接影响连续液膜的产生和断裂,表面张力、黏度、流量共同决定了液膜的厚度和相位差。     

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。     

管内垂直下降液膜速度与厚度分布特性

对洗涤冷却管内垂直降膜的流动特性进行研究,采用超声波多普勒测速仪对管内不同周向以及轴向位置的液膜厚度和速度进行了无接触式的测量,液膜Reynolds数范围为1.0×10⁴~3.1×10⁴。结果表明:在0°周向位置上液膜厚度与速度均达到最大值,导致该位置局部液膜厚度过大而不能保持稳定,部分液体脱离液膜表面,此外还造成了8°和16°位置的液膜厚度激增。在轴向上,当Reynolds数小于2.0×10⁴时,液膜速度在重力作用下随流动距离增加而增加,反之,液膜速度因为流动阻力会随距离增加而减小。随着Reynolds数的增大,液膜平均厚度和速度呈增大趋势。此外,Reynolds数的增大还会使得液膜更加不稳定。     

Evaporation-induced pattern formation in polymer films via secondary phase separation

The ordered necklace-like or cellular pattern formation has been investigated for ternary polymer solutions in which primary and secondary phase separations were induced by the solvent evaporation. The patterns consisted of regular droplet arrays of various diameters, which arose in the pre-existing polymer phases via the secondary phase separation. The pattern formation was enhanced with increasing air velocity and ambient humidity, while it was suppressed with decreasing initial film thickness. The regular pattern was independent of surface wettability of the solid substrate. We ascribe the morphology change to the evaporation-induced surface tension driven convection, which re-arranged the droplet distributions from disordered to flow-induced ordered patterns.