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。     

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。     

纯水静态闪蒸中液膜高度演变的实验研究

设计搭建了静态闪蒸实验台，利用高速摄影对不同过热度、节流孔板直径和闪蒸速率下纯水静态闪蒸过程中液膜高度的演变规律进行了实验研究。实验中过热度为7.0~32.5 K，节流孔板直径为5、10、20 mm，闪蒸速率为0.004~0.073 s^-1。通过液膜膨胀率来衡量和比较液膜高度的变化，液膜膨胀率是指闪蒸过程中液膜实时液位与初始液位的比值。结果表明：最大膨胀率随过热度或节流孔板直径的增大而增大；节流孔板直径一定时，闪蒸速率可通过改变过热度来调节，此时最大膨胀率随闪蒸速率的增大而减小；当过热度一定时，闪蒸速率可通过改变节流孔板直径来调节，此时最大膨胀率随闪蒸速率的增大而增大。最后，根据实验结果拟合得到过热度、闪蒸速率与最大膨胀率的实验关联式，其计算值与实验值吻合良好。本文研究结果对工业闪蒸设备小型化、紧凑化和精细控制提供了重要的实验依据。     

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...     

纯水静态闪蒸中液膜高度演变的实验研究

设计搭建了静态闪蒸实验台,利用高速摄影对不同过热度、节流孔板直径和闪蒸速率下纯水静态闪蒸过程中液膜高度的演变规律进行了实验研究。实验中过热度为7.0～32.5 K,节流孔板直径为5、10、20 mm,闪蒸速率为0.004～0.073 s-1。通过液膜膨胀率来衡量和比较液膜高度的变化,液膜膨胀率是指闪蒸过程中液膜实时液位与初始液位的比值。结果表明:最大膨胀率随过热度或节流孔板直径的增大而增大;节流孔板直径一定时,闪蒸速率可通过改变过热度来调节,此时最大膨胀率随闪蒸速率的增大而减小;当过热度一定时,闪蒸速率可通过改变节流孔板直径来调节,此时最大膨胀率随闪蒸速率的增大而增大。最后,根据实验结果拟合得到过热度、闪蒸速率与最大膨胀率的实验关联式,其计算值与实验值吻合良好。本文研究结果对工业闪蒸设备小型化、紧凑化和精细控制提供了重要的实验依据。     

错流旋转碟片超重力场中液滴直径的研究

错流碟片旋转超重力场反应器能够有效强化多相间化学反应,在超重力场中流体流动形式复杂,且液体的分布形态严重影响气液接触。通过条件简化采用因次分析方法建立了错流碟片旋转超重力场中液滴直径变化的数学模型,用三维激光多普勒衍射仪测试液滴的体积-表面积平均直径d32和变化规律。由模型分析和实验测试得出,随碟片转速增加液滴直径减小;随输入液体流量增大液滴直径增大;随入口气体流量增加,碟片空间和壳体空间液滴直径都变小。增加碟片间距液滴直径减小,有利于液体的雾化,减少液滴聚并。壳体空间液滴直径大于碟片空间的液滴直径,有不连续液丝和破碎液膜产生。模型计算和实验测试变化趋势基本一致。     

气升式陶瓷膜过滤过程的气液两相流模拟

采用VOF双流体模型对19通道气升式陶瓷膜过滤装置进行气液两相流的流体动力学模拟,研究了曝气孔直径和曝气量对气升式陶瓷膜过滤装置的气含率、环流液速、膜面剪切力及膜管内湍流强度的影响,模拟结果与实验结果的误差在5%~10%之间。结果表明,气升管与降液管的气含率都随曝气量增大而增大,随曝气孔直径减小而增大;环流液速、膜面剪切力及膜管内的湍流强度都随曝气量增大先增大,当曝气量达到400L·h^-1时其增大趋势变缓。通过实验和模拟比较了3种不同孔径的曝气头,环流液速与曝气孔的直径关系不大,仅与曝气量相关,但曝气孔直径越小,其膜面剪切力越大,越有利于过滤过程的进行。     

湍流分散系统中液滴尺寸的模拟与研究

在考虑分散相黏度对液滴破碎频率影响的基础上,进一步研究了分散相黏度对液滴聚并的影响.在液膜排液时间的计算式中,引入了分散相黏度,建立了新的液滴聚并频率的表达式.通过数值求解群体平衡方程,得出搅拌槽内液-液湍流分散系统的Sauter平均直径.与实验数据比较发现,改进模型可以较好地预测分散系统的Sauter平均直径,其结果优于Coulaloglou 和 Tavlarides模型.计算结果表明分散相黏度对液滴平均直径有着双重影响,抑制破碎,导致液滴直径增大;抑制聚并,从而导致液滴直径减小.     

压力喷雾分散模型初探

本文分析了旋涡式压力喷嘴的雾化机理,研究了液膜的受力情况,指出了液膜的分裂条件,推导出计算液滴直径的公式,其计算结果与实验数据较为吻合。     

气升式陶瓷膜过滤过程的气液两相流模拟

采用VOF双流体模型对19通道气升式陶瓷膜过滤装置进行气液两相流的流体动力学模拟,研究了曝气孔直径和曝气量对气升式陶瓷膜过滤装置的气含率、环流液速、膜面剪切力及膜管内湍流强度的影响,模拟结果与实验结果的误差在5%~10%之间。结果表明,气升管与降液管的气含率都随曝气量增大而增大,随曝气孔直径减小而增大;环流液速、膜面剪切力及膜管内的湍流强度都随曝气量增大先增大,当曝气量达到400 L·h-1时其增大趋势变缓。通过实验和模拟比较了3种不同孔径的曝气头,环流液速与曝气孔的直径关系不大,仅与曝气量相关,但曝气孔直径越小,其膜面剪切力越大,越有利于过滤过程的进行。     

内冷式刮膜蒸发器粘性流体的传热与蒸发探讨

本文以粘性流体甘油为物料,在内冷式刮膜薄膜蒸发器中进行加热蒸发实验,分析和探讨了内冷式刮膜薄膜蒸发的传热阻力和工艺条件如操作压力、刮板转速和进料流量等因素的影响。研究发现,粘性流体薄膜蒸发时的传热阻力主要在液膜侧;液膜传热系数随刮板转速和流量的增大而增大,随压力的降低而增大;单位时间的蒸发量随刮板转速的增大而增大,随压力和流量的增大而减少。     

多液滴同步冲击液膜时中间薄膜射流形成机理与动力学特征

采用耦合水平集-流体体积(coupled level set and volume of fluid)方法结合高斯随机分布扰动对多液滴同步冲击平面液膜飞溅过程进行了三维数值模拟,通过分析压力、速度等细微场量分布,揭示了中间薄膜射流的生成、破碎以及后期柱状射流的形成机理。此外,讨论了Weber数、液膜厚度、液滴间距对薄膜射流高度的作用规律。结果表明,在液相加入高斯分布扰动后可以充分反映液滴冲击飞溅特征;相邻液滴颈部区域射流接触后,接触区压力梯度骤然升高,与流体运动间断共同作用下形成向上运动的薄膜射流,随后在流体不稳定性与气相涡流作用下发生破碎;薄膜射流高度随Weber数和液膜厚度升高而增大,液滴间距减小时,射流高度增大。     

多液滴同步冲击液膜时中间薄膜射流形成机理与动力学特征

采用耦合水平集-流体体积（coupled level set and volume of fluid）方法结合高斯随机分布扰动对多液滴同步冲击平面液膜飞溅过程进行了三维数值模拟,通过分析压力、速度等细微场量分布,揭示了中间薄膜射流的生成、破碎以及后期柱状射流的形成机理。此外,讨论了Weber数、液膜厚度、液滴间距对薄膜射流高度的作用规律。结果表明,在液相加入高斯分布扰动后可以充分反映液滴冲击飞溅特征;相邻液滴颈部区域射流接触后,接触区压力梯度骤然升高,与流体运动间断共同作用下形成向上运动的薄膜射流,随后在流体不稳定性与气相涡流作用下发生破碎;薄膜射流高度随Weber数和液膜厚度升高而增大,液滴间距减小时,射流高度增大。     

周向斜面台阶螺旋槽液膜密封流体动压性能

为降低密封面间液体流动发散区液膜压力损失及提高密封性能,在矩形截面螺旋槽中引入周向斜面台阶结构并建立物理模型。基于JFO空化边界,探讨了不同槽深时,斜面转角比对液膜压力、降低空穴发生及流体动压性能的影响。结果表明：当斜面转角比小于1/30时,下游泵送或上游泵送液膜密封的周向膜压或螺旋线方向膜压均得到迅速提升而空化面积比迅速降低,尤其是上游泵送密封;随斜面转角比增大,空化面积比先增大后减小,空穴区中液膜开始破裂位置前缘压力呈增加趋势,而液膜重生成位置后缘压力反之。槽深的增加有助于提升液膜压力和降低空化面积比,当槽深为8～12 μm,在斜面转角比为0.1～0.3时,两类型液膜密封承载能力均可达到最大值,前者最大增幅约13.5%,后者约28%;摩擦扭矩最大增幅约4.6%,增幅较小;泄漏量随斜面转角比的变化规律与承载能力相似。     

周向斜面台阶螺旋槽液膜密封流体动压性能

为降低密封面间液体流动发散区液膜压力损失及提高密封性能,在矩形截面螺旋槽中引入周向斜面台阶结构并建立物理模型。基于JFO空化边界,探讨了不同槽深时,斜面转角比对液膜压力、降低空穴发生及流体动压性能的影响。结果表明:当斜面转角比小于1/30时,下游泵送或上游泵送液膜密封的周向膜压或螺旋线方向膜压均得到迅速提升而空化面积比迅速降低,尤其是上游泵送密封;随斜面转角比增大,空化面积比先增大后减小,空穴区中液膜开始破裂位置前缘压力呈增加趋势,而液膜重生成位置后缘压力反之。槽深的增加有助于提升液膜压力和降低空化面积比,当槽深为8～12μm,在斜面转角比为0.1～0.3时,两类型液膜密封承载能力均可达到最大值,前者最大增幅约13.5%,后者约28%;摩擦扭矩最大增幅约4.6%,增幅较小;泄漏量随斜面转角比的变化规律与承载能力相似。     

炭膜的二氧化碳吸附扩散性能的研究

以商业化的Kapton型聚酰亚胺为前驱体制备炭膜,采用容量法研究了不同炭化温度制备的炭膜CO2吸附和扩散行为,并利用Sips模型对实验数据进行拟合,DA方程计算炭膜的孔结构参数,Fick扩散模型求取CO2在炭膜内的扩散系数,采用XRD分析探讨了炭膜的炭结构。结果表明,炭膜孔结构随着热解炭化温度的提高,孔径收缩,且当炭化温度从600℃升高到800℃,炭膜的微孔体积随炭化温度的升高而增大,而800℃以后,微孔体积随炭化温度的升高而下降。CO2在不同炭膜中的扩散系数约为1.04×10-13~8.56×10-12m2·s-1,在实验测定的压力范围内扩散系数随着平衡压力的增大呈现出先增大后减小的规律。     

天然气聚结过滤器气液分离性能的实验研究

为了系统地评价天然气聚结过滤器的气液分离性能,采用两种加入液滴方式,获得较大范围的液滴粒径分布,液滴中位粒径分别为8.7、40.0μm,在流量为94~220m3/h范围内进行实验研究,并通过Winner318B激光粒度仪对出口粒径进行在线测量。实验结果表明:压降会随加液时间发生变化,液滴粒径对分离效率的影响显著;当流量为94~182m3/h、入口液体浓度为30~75g/m3时,气液分离效率随着气体流量和入口液体浓度的增加而增大,当流量超过220m3/h时,分离效率迅速降低;分离器出口处粒径大于8μm的液滴基本除尽。     

螺旋喷嘴液滴分布特性的实验研究

以水为喷淋介质,研究了螺旋喷嘴的喷淋量与喷淋压力的关系,考察了雾化液滴的粒径分布特性。实验结果表明,随着喷淋压力的增大,喷淋量相应增大,并逐渐趋于平缓;螺旋喷嘴喷雾区喷淋量沿径向形成多个峰,随工作压力增大各峰沿径向外移,处在峰面上液滴的索特直径较峰面间的大;液滴平均粒径随压力升高而趋于均匀,且大喷嘴雾化形成的粒径比小喷嘴的略大。研究结果可为螺旋喷嘴的实际应用提供参考。     

局部几何构型对聚焦流微通道内液滴生成特性的影响

在微流控技术中,微通道结构的优化设计是一种被动实现液滴精确调控的有效方法。为探究分散相入口、通道下游孔口以及二者共存模式下的通道结构变化对液滴生成特性的影响,采用VOF / CSF耦合level set的界面捕捉法对聚焦流微通道内的液滴生成开展了数值模拟研究。结果表明,当孔口为单一变量时,液滴生成周期和直径随孔口宽度呈近线性增大,且颈部宽度收缩率随孔口宽度的增大而不断减小。孔口的收缩有助于强化连续相Y方向的挤压和X方向的黏性剪切作用。当孔口宽度较小,聚焦作用较强时,液滴生成周期和直径整体上对分散相入口竖直和水平边锥形角的变化并不敏感;此时,孔口对连续相的聚焦效应主要影响液滴的生成特性。当孔口和分散相入口水平边锥形角θ₂同步变化时,二者可协同影响液滴的生成。孔口宽度的增大削弱了孔口的聚焦作用,液滴挤压破裂时间在单个周期中的占比逐渐增大。此外,当孔口宽度较大时,液滴生成开始对θ₂敏感,其周期和直径随θ₂增大而增大,且液滴可从滴流向射流模式转变。     

涂层表面形貌形成过程模拟与分析

表面涂层形貌形成过程的定量描述对涂层质量控制效果的提升至关重要,建立了集成蒙特卡罗(Monte Carlo)和计算流体力学(CFD)的混合方法模拟复杂的海量液滴沉积成液膜及其随后的流平过程,并系统研究油漆液滴平均直径、黏度、密度以及表面张力对涂层表面粗糙度、流平速度以及流平时间的影响。模拟结果表明,油漆液滴平均直径增大,涂层初始表面粗糙度增大,流平速度减小,流平时间延长;黏度增大,涂层的初始和最终表面粗糙度增大,流平速度减小,流平时间延长;密度减小,涂层初始表面粗糙度增大,初始流平速度增大,流平时间稍微缩短,对最终表面粗糙度影响不大;表面张力增大,涂层流平速度增大,流平时间缩短,对涂层最终表面粗糙度影响很小。