冻结与非冻结环境对液-液雾化影响的实验研究

水在低温冻结环境液体中雾化是液-液循环流化床制取流体冰技术的关键环节.今对常温非冻结环境或低温冻结环境中液-液雾化过程的射流与液滴形成特性进行了实验研究,提出了形成液滴的四种射流破碎方式,考察了冻结与非冻结环境中,滴流雾化向射流雾化转变的射流雷诺数,获得了射流雾化发生时随射流雷诺数的变化,射流破碎方式的转变规律、射流长...     

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。     

液滴滴浸微通道入口段的动力学特性分析

采用流体体积(Volume of Fluid, VOF)函数捕捉气液相界面,研究液滴滴浸微通道入口段的运动,通过改变微通道入口段的截面宽度、润湿特性及液滴雷诺数(Re)和韦伯数(We)研究滴浸过程的动力学特性。结果表明,微通道入口段的截面宽度对液滴浸入微通道时的撞击过程影响最明显,随截面宽度减小,液滴撞击通道入口后通过微通道的难度增加,整个过程液滴所受阻力逐渐增大;当微通道截面宽度减至0.2 mm时,壁面润湿性效应凸显,表现为壁面静态接触角越大,液滴滴浸微通道时所受的阻力也越大。表面接触角较大时,为使液体通过微通道入口段,可适当增大液滴的Re,液体在通道内的浸润长度随Re增加成比例增大,当Re增至4000时,通道内开始出现射流现象。We减小,表面张力效应变得明显,通道内的流动阻力变大,液体流过微通道入口段的难度增大。     

水在非相溶油中滴流雾化的界面追踪模拟

基于欧拉法和流体体积函数建立了描述相界面运动、变形、破碎等复杂变化的界面追踪模型(VOF-CSF),该模型采用了二相界面重构技术,并考虑了界面张力和接触角的影响,将水在非相溶油中滴流雾化形成液滴过程简化为二维轴对称数值模拟,模拟了层流环境中低喷射流率下液滴形成的全过程.模拟结果表明:在滴流雾化方式下,液滴形成过程由液滴...     

气液喷射器内的气液流型分析

在上喷式喷射器内利用水-CO2实验系统,通过平面激光诱导荧光技术(Planar Laser Induced Fluorescence,PLIF)和常规流量测定,获得了流速数据和流型图片,分析了操作条件对气液喷射器内流型的影响.液气体积流率各自的操作范围为0.495～1.062 m3·h-1和0.1～4.6 m3·h-1.在非常低的气液比下(G/L≤ 0.2),该喷射器拍照范围内,气体形成细小的气泡均匀分布在液体中,呈泡状流;在高气液比下(G/L ＞0.2),液体以射流形式存在,而气体以环状在液体周围向上绕流,形成喷射流.气液比和气相分率的大小对液体射流柱长度及其瓦解的初始位置有明显影响.随着气液比和气相分率的不断增大,液体射流柱的长度首先增大,约在气液比为2.5～3.0,气相分率在0.7～0.8左右达到最大值,射流柱瓦解的初始位置沿喷射器不断上移;继续增大气液比和气相分率,液体射流柱长度又开始减小,瓦解的初始位置下移,但是前者减幅逐渐变小,直至射流柱长度和瓦解的初始位置比较稳定.     

循环流化床液液雾化过程转型的实验研究

建立了循环流化床液液雾化的实验装置,对水在非相溶介质中喷射雾化进行了研究。采用高分辨率数码摄像仪实时采集不同工况条件下的雾化形态,对比分析了雾化过程转型现象;通过图像处理与数值计算相结合的方法,对实验结果进行了分析。结果表明,雾化过程与相间相对雷诺数密切相关,在相对雷诺数为1 632时,由鼓泡型转变为连续射流型,而当相对雷诺数增加到1.14×105时,雾化则由连续射流型转变为紊态射流型;在雷诺数大于1.62×105后,液滴粒径急剧减小。在紊态射流形态中,雾化液滴数多且粒径微小,符合液液循环流化床制取流体冰技术对液滴尺度的要求。     

液液雾化特性与粒径分布规律

液液雾化过程是液液循环流化床的关键技术之一,在流化床常态实验装置上,采用快速摄像与图像处理相结合的方法,获得了实验流量范围内液滴形成过程的图像以及形成液滴的粒径信息,运用数学分布函数对液滴的粒径分布进行了研究。研究结果表明,各流量工况下,液滴的粒径分布与Rosin-Rammler分布符合得较好;在实验流量范围内,形成液滴的区域有单液滴形成区域、过渡区域和多液滴形成区域,且液滴中位径的总体趋势是减小的,当水的流量为50 ml·min-1时,形成液滴的粒径主要集中在0.7～1.0 mm之间;在单液滴形成区域和多液滴形成区域,液滴粒径的均匀性先减小后增大,中位径呈减小趋势,但在多液滴形成区域两者的变化幅度较小,在过渡区域,液滴粒径的均匀性与中位径基本不变。研究结果可为液液循环流化床基于设计粒径的要求合理选取运行流量提供可靠依据。     

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。     

液-液水力旋流器中的液滴破碎

在总结前人研究成果的基础上,分析了液-液水力旋流嚣中液滴破碎产生的原因,指出流场的湍流特性是产生液滴破碎的主要原因。对水力旋流器中的湍流度、雷诺切应力及颗粒的湍动能进行了分析,给出了水力旋流器中液滴破碎可能性较大的几个部位,并对旋流器边壁液滴破碎的可能性进行了讨论。分析了水力旋流器中液滴破碎的机理,阐明了液滴破碎判据——临界Weber数的表达式,并对理想球形液滴的破碎进行了分析。     

轴流式气液旋流分离器内气相流场的数值研究

应用RSM湍流模型对内径100mm的轴流导叶式气液旋流分离器内气相流场进行了数值研究,计算得到的气流时均速度分布和压力分布与实验测量结果基本吻合。根据分离器内气相流动分布的特点可知:(1)气流旋转强度与导向叶片出口角有关,出口角越大,切向速度越小;(2)排气管下口区域存在明显的短路流分布,容易卷吸夹带液滴进入排气管逃出,造成分离效率下降;(3)排气口和排液口附近的区域气流湍流脉动强度高,容易造成液滴破碎,直径减小,从而影响分离效率。以上研究结果为轴流导叶式气液旋流分离器的结构优化,进一步提高分离性能奠定了基础。     

共轴流水包油型微液滴形成过程的实验与数值模拟研究

在不同操作条件下对水包油系统中微液滴的形成过程及粒径大小进行了系统实验观察和测试,同时利用VOF/CSF模型对液滴形成过程进行了数值模拟,模拟结果与实验非常吻合;在此基础上,考虑两相流速、黏度、界面张力及壁面效应等因素,对液滴形成过程进行了进一步的模拟研究。结果表明,与传统油包水系统相比,水包油系统液滴的形成也有滴流(dripping)和射流(jetting)两种流型,但水包油系统能在更高的两相流速下保持滴流操作,而射流主要出现在离散相速度极高的条件下且很不稳定;滴流条件下生成的液滴具有很高的单分散性,且可改变流速提高产生频率,而射流条件下产生的液滴单分散性差,且易于出现卫星液滴;滴流条件下影响液滴粒径的显著因素是连续相流速、黏度、界面张力和壁面效应,其中前三者的影响可用毛细管数表征;研究对各影响因素的作用机理进行了阐释,并综合实验与模拟结果,给出了不同操作条件和装置尺寸下液滴生成粒径的预测关联式。     

液滴行为与液-液混合设备

总结了液-液非均相混合过程中的液滴运动速率计算模型,分析了液滴破碎及合并的机理。在结合各种工业应用的基础上,总结了搅拌釜、射流混合器、静态混合器、撞击流混合器及纤维液膜混合器等五种混合设备的混合原理及研究现状。展望了液-液混合设备的研究前景。     

低速横流作用下液体射流初次破碎实验

基于专门搭建的射流破碎雾化实验平台,利用高速摄像可视化研究低速横流作用下不同气液量纲为1参数对液体射流初次破碎模式特征和射流穿透轨迹特征的影响规律。实验结果表明,低速横流作用下液体射流破碎存在柱状破碎和袋式破碎两种模式,其中柱状破碎又可以分为鼓包破碎和拱形破碎。从实验得到的液气动量通量比q和液体韦伯数We_j射流破碎模式图可以看出,液气动量通量比q和液体韦伯数We_j共同决定低速横流条件下射流破碎模式,不同破碎模式之间存在明显的过渡边界。结合液气动量通量比q、液体韦伯数We_j、液体雷诺数Re_j等量纲为1参数,拟合得到了射流穿透轨迹曲线对数形式公式,该公式能够很好地预测低速横流作用下液体射流穿透轨迹,其中液气动量通量比q是影响射流穿透轨迹的主要量纲为1参数。     

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。     

二次流对气液交叉流体系连续液柱表面传热过程的强化

本文采用计算流体力学（CFD）方法研究了气液交叉流体系重力作用下降液液柱群连续自由表面的蒸发过程。研究结果表明：低气体雷诺数下,液体流动引发气相形成二次流,产生层流涡使靠近气液相界面附近的气相发生湍动。强化传热传质过程,肋数随液速的增加而增大;取Res=166,当U11q=2m·S^-1时,肋数较静止壁面条件提高10％：而高气体雷诺数下（Res=500）,液柱流动引发气相二次流对传热传质过程影响不显著：模拟值与实验值吻合较好,其相对误差在±15％范围内。     

液液体系界面上的液滴聚结特性

<正>众所周知,分散相液滴的大小影响液液萃取设备的处理能力和传质效率.Garg和Pratt对脉冲筛板柱的研究及Hamilton和Pratt对填料柱的研究均表明,液滴大小受液滴聚结和破碎速率控制.聚结速率对混合澄清槽的澄清室设计极为重要,并已成为许多科学工作者的研究课题.如Jeffreys等对连续澄清器性能的宏观研究及水平界面上单液滴聚结特性的研究等.单液滴研究有助于判别聚结时作用在液滴上的一些重要的作用力.一般说,聚结过程包括以下步骤:     

气液逆流接触过程及液滴夹带特性

为了探究喷淋塔内气液逆流接触流动特点及液滴夹带特性,采用激光粒度仪及湿法等动取样对实验模型内液滴粒径分布及含液率进行测量,并结合高速摄影技术对喷淋液层气液两相流动特性进行跟踪拍摄。结果表明:根据气液逆流接触特点可将液层流动分为波动区、破碎区及夹带区;截面气速及液相体积流量的增大使得气液间作用力增强,夹带液滴粒径减小;由于碰撞作用双层喷淋下夹带液滴粒径相对于单层喷淋下较小;液滴在上行过程中运动复杂且多变,液滴的不规则运动及气相流场的复杂性是造成夹带区内液滴粒径分布波动的主要原因;定量得出气液逆流接触过程受气相夹带液滴粒径分布范围,研究结果可为喷淋塔内传质及传热过程提供参考,同时可为除雾器的开发提供设计依据。     

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。     

毛细管内气液两相流动的CFD模拟

毛细管精馏是一种分离共沸物系的新型分离技术,它利用毛细管的固-液相互作用来改变液体混合物的汽液平衡。毛细管通道内的气液两相流型在低气速时以泰勒流为主,今使用计算流体力学方法,对毛细管内泰勒流的多种影响因素,如:壁面作用、气液速率以及流体物性等进行了研究。首先考察壁面作用的影响,发现壁面粗糙度能改变气液柱形状和流场,粗糙度增大使通道内气液两相流型由泰勒流向泡状流转变,流动状态由层流向涡流转变。模拟不同接触角下的气液流动,发现壁面吸附作用在一定程度上影响气液柱长度和气液界面间的形状。通过模拟不同气液速率下的气液流动,观察气液柱长度与气液速率之间的关系。对模拟气液柱长度进行量纲分析,得到了泰勒流的气液柱长度的关联式,将该式与文献测定值进行比较,发现在一定范围内吻合较好。     

微通道内传递对液液分散过程的影响规律

在同轴环管微通道中,采用水/正辛醇形成两相体系,利用硫酸向水中传质并释放热量以实现伴随传质传热的微分散过程,研究了两相流速、硫酸浓度对两相流型和液滴大小的影响规律。结果发现,传递会引发O/W/O新流型的产生和流型分布区域变化。探讨了传递强度对于分散液滴尺寸的影响,通过计算液滴脱落时的动态界面张力,分析了传质和传热对于液液微分散影响的大小。