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。     

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。     

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。     

非均匀润湿表面强化冷凝换热研究

为了研究非均匀润湿结构的强化换热性能,文中通过化学刻蚀结合激光加工的方法在铜基体上制备了亲疏水条纹交错排布的润湿梯度表面。实验观察了试样表面液滴的冷凝及迁移现象,并对液滴的迁移现象进行了动力学分析。结果表明:冷凝过程中,疏水区液滴在重力及亲疏水界面处Laplace压力差的协同作用下可快速进入亲水区,并在亲水流道受到重力的作用快速排走。相比于光滑表面,非均匀润湿表面的液滴更替频率增加,脱落尺寸减小,表面的传热性能得到强化。过冷度及结构参数影响亲水区液滴的排出,进而影响表面的强化换热效果。冷凝换热结果表明:表面的热通量随过冷度的增加而增大,增大趋势逐渐减小;随亲疏水区域面积比的增加先增大后减小;随倾角的增大先增大后减小。     

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。     

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。     

NaCl水溶液喷射闪蒸-掺混蒸发的实验研究

喷射闪蒸与热空气掺混蒸发(FME)结合是实现含盐废水深度脱盐的有效方法之一。本文搭建了喷射闪蒸-横流掺混蒸发实验系统,结合PIV和Malvern激光粒度仪对FME流场中液滴群的运动、蒸发特性开展了实验研究。实验中掺混风温为104.7～145.3℃、风速为10～17 m·s^-1;液侧液滴初始盐质量分数为0～0.15,温度为20.0～132.0℃,喷射压力为0.5～1.2 MPa。FME中喷射闪蒸主要影响雾化破碎区,而掺混蒸发主要影响蒸发区。液滴群初始粒径随喷射压力或质量分数的提高趋于均匀,而随液滴温度的升高先趋于均匀而后均匀性变差。气液间的动量和能量交换主要发生在蒸发区内的水平方向;定义液滴沿水平方向截面平均速度为FME特征速度,该特征速度随掺混距离的增大先陡增后缓增,而在相同掺混距离处,该特征速度随掺混风温、风速或喷射压力的增大而增大;液滴群的Sauter平均直径沿掺混方向不断减小;增加掺混风温、提高掺混风速、增大喷射压力是强化FME蒸发的有效手段。根据实验结果计算了液滴群表面平均传热系数,并给出了该传热系数的实验关联式。在本文研究范围内,其计算值与实验值的主体误...     

单向温度梯度下异质液滴的热毛细迁移

石蜡油与去离子水按多种比例混合形成异质液滴,放置在金属基板表面,在外加不均匀温度场作用下进行热毛细迁移,采用高速摄像机记录温度梯度驱动液滴从高温区迁移至低温区过程中液滴的形态,建立了理论模型. 结果表明,异质液滴的接触角随温度升高而减小,润湿性增强;异质液滴的迁移速度随粘度增加而减小,随温度梯度增加而增加,不同粘度下的速度差随温度梯度增大而增大,迁移速度随时间增加迅速降低,后缓慢减小到趋于0. 推导了迁移速度与Marangoni数Ma的关系式并进行了实验验证,迁移速度随Ma增加而显著增加,Ma越大,实验结果与模拟结果的匹配程度越高.     

振动微液滴的传质机理与模型

提出了微液滴振动传质的机理模型,基于微液滴振动引起的周围流体介质周期性变化流场和基本输运方程,得到简化的传质控制方程及其数值解,模拟结果表明传质组分的浓度分布具有明显的非均匀特征,其迎流面的浓度梯度显著大于背流面,导出的平均Sherwood数和传质速率随振动频率增加而增大.采用电动力学天平中作一维拟简谐振动的十二烷醇微液滴在氮气介质中的蒸发传质实验数据对模型进行验证,结果表明本文模型所预测的平均Sherwood数变化趋势与实验结果一致,平均Sherwood数预测误差为39.5%,说明本文的传质模型能描述此类微尺度下具有周期性运动特征的单个液滴表面传质现象.     

高频脉冲电场下无机盐及电场参数对水滴成链特性的影响研究

为了深入探究W/O乳状液静电聚结破乳过程中无机盐及电场参数对水滴成链特性的影响机理,分别改变无机盐浓度、种类及电场参数,对高频高压脉冲电场作用下水滴成链特性进行显微实验研究。结果表明,随NaCl浓度增加,电场作用前期,水链平均粒径先增大后减小,电场作用后期,顺序相反。电场作用前期,水链平均粒径从大到小的顺序为:Na_3PO_4、Na_2SO_4、NaNO_3、NaCl、Na_2CO_3和CaCl_2、MgCl_2、KCl、NaCl、NH_4Cl;电场作用后期,顺序相反。无机盐对水链链长的影响与其对水链平均粒径的影响相似。电场参数方面,随电场强度增加,水链链长先减小后增大,水链最大粒径和平均粒径先小幅增大后显著增大;随电场频率的增加,水链链长平缓减小,水链最大粒径和平均粒径先小幅增大后小幅减小;随占空比增大,水链链长先小幅减小后小幅增大再大幅减小,水链最大粒径和平均粒径先小幅增大后小幅下降。     

高密度差体系中单液滴运动的数值模拟

采用VOSET方法捕捉液液两相运动界面,对高密度差体系中单液滴的运动进行数值模拟,分析不同时刻的表面图和流线图及瞬态速度变化图,研究了单液滴运动过程的速度变化及形变。研究结果表明：液滴形变随密度差和液滴粒径以及界面张力减小而变得剧烈;液滴上升速度随密度差和界面张力的增大而增大;液滴速度振荡幅度随粒径减小而减小;液滴形变的频率随界面张力增大或粒径减小而变小。     

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。     

非均匀电场作用下汽泡的行为

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非均匀电场作用下的生长过程进行了可视化实验研究,实验观察到非均匀电场作用下汽泡脱离壁面时的形态。当没有施加高压电场时,汽泡脱离壁面时基本上呈球形形状;而外加电场后,汽泡脱离壁面时呈椭球状,而且随着场强的升高,汽泡脱离壁面时汽泡沿场强方向的伸长更加明显。这是由于未加电场时,汽泡的长大主要受惯性力和表面张力的支配。外加电场后,汽泡的受力增加了电场力的作用,电应力在赤道方向压缩汽泡,在极轴方向拉伸汽泡。在电场作用下,汽泡由近似球形形状变成了椭球形形状。随着场强的增大,汽泡所受的电应力加大,使得汽泡脱离壁面时沿场强方向的伸长更加显著。施加电压后,汽泡脱离频率随着场强的增大而增大,当电场强度为1.4 kV/mm时,汽泡的脱离频率为不加电压时的1.85倍。研究结果表明,电场对汽泡的行为有显著的影响作用。     

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。     

同轴微通道内管结构对液滴生成的影响规律研究

研究了同轴微通道内水-硅油体系的液滴生成过程。在不同的连续毛细数Ca_c和分散相Weber数We_d下,观察到滴出流和喷射流两种不同的流型。实验考察了两相流量、黏度和内管结构对液滴尺寸和液滴生成频率的影响。结果表明液滴尺寸随着分散相流量增加而增大,而随着连续相流量和黏度的增加而降低。此外,随着We_d的增加,流型会从滴出流过渡到喷射流,而更大尺寸的内管会更早过渡到喷射流,从而得到更大的液滴尺寸。对于液滴生成频率,其随Ca_c和We_d的增加均呈现先快速增加后变缓的趋势。当内管通道尺寸基本相同时,不同结构的内管通道在固定Ca_c时其液滴生成频率相差不大,且随着通道尺寸的减小,液滴生成频率逐渐增加。基于实验结果,建立了液滴尺寸预测模型,预测值与实验值吻合较好。     

高频/高压静电聚结破乳评价方法及电场频率选择研究

为满足当前所处理原油劣质化的新挑战,实现设备紧凑高效、运行节能降耗等发展目标,采用高频/高压电场进行W/O型乳化液静电聚结破乳脱水已经成为国内外的研究热点。采用自主研制开发的全数字控制高频/高压脉冲方波交流电源,基于矩形流道连续流动实验装置,采用Turbiscan Lab分散稳定性分析仪评估静电聚结破乳特性,并系统研究了电场频率和乳化液含水率对分散相水液滴聚结长大的影响。研究结果表明,W/O型模拟乳化液含水率5%时,施加电压为5.4 kV、频率为1.1 kHz的电场,分散相水液滴的平均体积粒径增大39.75倍,稳定动力学参数增加3.12倍,破乳效果非常明显;W/O型模拟乳化液的含水率不同,分散相水液滴取得最佳聚结效果所对应的电场频率也不同,工程应用中应该根据不同油田原油乳化液的实际情况进行具体评估。     

转炉一次除尘新OG系统高效喷淋塔喷嘴雾化特性的模拟

利用离散相模型对转炉一次除尘新OG系统高效喷淋塔内喷嘴的雾化特性进行模拟,分析了喷射角度、喷射压力、喷射流量及喷嘴水平间距等因素对雾化场索太尔平均直径(SMD)和蒸发效率的影响. 结果表明,在一定范围内随喷射角度增加,液滴在雾化场中的覆盖面增大,液滴驻留时间变长,蒸发效率增加,雾化场SMD减小,喷射角度大于60o时,SMD值减小缓慢. 随喷射压力增大,液滴蒸发效率增加,雾化场SMD减小,压力大于1.0 MPa时对SMD的影响较小. 随喷射流量增加,液滴蒸发效率减小,雾化场SMD增加,流量小于0.15 kg/s时,SMD增加幅度偏小. 两喷嘴水平间距越大,液滴分布面积越大,但对雾化场SMD影响较小. 在一定条件下,喷嘴间距约为800 mm时,截面速度分布较均匀.     

对置液柱撞击液膜破裂特征

采用高速摄像仪对两液柱撞击产生液膜的破裂过程进行了实验研究。分析了撞击液膜的破裂过程及表面波产生和传播过程,考察了射流直径、喷嘴间距和射流Weber数（We）对撞击液膜破裂的影响;定量分析了液膜表面波频率的变化及液膜破裂后的粒径分布情况。研究结果表明,液膜表面波传播频率随We的增大而增大,并沿液膜径向方向逐渐减小;随着射流We的增加,液膜边缘的液滴脱落频率增加;当We>1000时,液膜表面产生大量液滴团,且液滴团对液膜破裂具有促进作用;液柱撞击液膜发生破裂后90%以上的量纲1液滴粒径分布在0～1之间。     

涡旋脉冲式反应装置制备纳米碳酸钙的碳化特性研究

介绍了涡旋脉冲式反应装置的基本结构和特点,并选择Ca(OH)2-H2O-CO2这一多相反应体系,利用涡旋脉冲式反应装置制备纳米碳酸钙。实验研究了气液比h、喷口速度up、Ca(OH)2悬浮液初始浓度Ci、混合气体中CO2气体含量j、脉冲发生器的频率f等操作条件对碳化反应时间Rt的影响。实验结果表明,随h、pu、j增大,Rt明显减小;Ci增加导致Rt增大;在5Hzf<的范围内,随f增大,与液滴在涡旋室内的飞行时间相比,液滴表面更新速率增大占优势,导致Rt减小,在5Hzf>的范围内,随f增大,相撞的瞬间液滴的相对速度及在涡旋室内的飞行时间降低,导致Rt逐渐增大。     

非均匀高频电场下W/O型乳化液动态破乳聚结特性的实验研究

采用自主设计搭建的非均匀电场动态破乳聚结特性实验装置,首次在国内配套使用高频/高压脉冲交流电源和FBRM G600型聚焦光束反射仪,建立了W/O型乳化液中分散相水颗粒粒径分布的在线测试评价方法,进而系统研究了电场参数和流动参数对W/O型乳化液在非均匀电场作用下动态破乳聚结特性的影响规律。实验结果表明,对于所配制含水率为20%的W/O型乳化液,在电场强度为2.87 kV×cm~(-1)、电场频率为2 kHz、占空比为50%时,分散相水颗粒体积平均粒径(VMD)值较初始稳定状态的增长倍数达到最大值,为3.81倍;小粒径水颗粒(粒径小于10μm)数目较初始稳定状态减小至最小值,减少了62%;充分证明在非均匀电场下,合理电场参数的筛选对于乳化液破乳聚结具有重要意义。在实验流速范围内,VMD值增大倍数随着流速的增加先增大后减小,表明在确保足够停留时间的前提下,适度增加乳化液流速方能显著提升破乳聚结效率,因此合理流速的确定应当优先满足乳化液在电场中最短停留时间的要求。