转盘离心雾化高黏非牛顿流体薄液膜纤维化特性

高黏性流体经转盘离心雾化以液滴形式进入气相可显著改善气液相间接触,其纤维化特性直接决定了雾化液滴的尺寸,是影响物料品质的关键因素。针对转盘离心雾化器,对非牛顿黏性液膜失稳纤维化过程的物理机制进行了分析,分析了高黏度流体,仅考虑黏性作用时,黏性力对纤维间距的贡献,建立了黏性力与表面张力耦合作用下液膜破碎的纤维间距预测模型,探讨了液膜纤维化的一般规律。结果表明,黏性对液膜的失稳纤维化起抑制作用,黏度提高,纤维数量减小,纤维间距增大。纤维数量与转盘边缘液膜线速度相关。进入完全纤维状模式后,纤维数量趋于稳定,提高转速引起纤维数量稳定的流量范围缩小,不利于雾化,可采用低转速、大直径转盘改善雾化效果。非牛顿高黏流体液膜破碎后的纤维数量与Weber数、等效Reynolds数和流变指数直接相关。研究结果对高黏流体的转盘离心雾化系统设计与优化提供了可借鉴的理论与应用基础。     

转盘边缘黏性薄液膜不同破碎模式临界转变特性

液膜在离心粒化器边缘的破碎模式直接决定了雾化后的液滴形态和尺寸分布,是影响物料品质的关键因素。针对转盘粒化器,提出临界转变系数表征液膜由膜状向纤维状破碎的转变条件,并拓展至其他破碎模式,建立了滴状向纤维状、完全纤维状及纤维状向膜状破碎转变的临界关系。结果表明,转盘表面润湿性对于液膜呈滴状以及滴状向纤维状模式转变影响显著,未完全润湿导致临界流量存在一定的随机性,转盘直径与临界流量间无明确规律;而完全纤维状以及膜状时,大直径转盘临界流量明显升高。转速、流量、密度及黏度的提高,破碎模式趋向于膜状;而增大表面张力,即使对于较大流量和转速,液膜也能维持纤维状或滴状模式。调整转盘直径将引起表面张力与离心力同时变化,若未打破平衡,其破碎模式不会改变。研究结果为转盘粒化器的设计与优化提供了可借鉴的理论与应用基础。     

转盘边缘黏性薄液膜不同破碎模式临界转变特性

液膜在离心粒化器边缘的破碎模式直接决定了雾化后的液滴形态和尺寸分布,是影响物料品质的关键因素。针对转盘粒化器,提出临界转变系数表征液膜由膜状向纤维状破碎的转变条件,并拓展至其他破碎模式,建立了滴状向纤维状、完全纤维状及纤维状向膜状破碎转变的临界关系。结果表明,转盘表面润湿性对于液膜呈滴状以及滴状向纤维状模式转变影响显著,未完全润湿导致临界流量存在一定的随机性,转盘直径与临界流量间无明确规律;而完全纤维状以及膜状时,大直径转盘临界流量明显升高。转速、流量、密度及黏度的提高,破碎模式趋向于膜状;而增大表面张力,即使对于较大流量和转速,液膜也能维持纤维状或滴状模式。调整转盘直径将引起表面张力与离心力同时变化,若未打破平衡,其破碎模式不会改变。研究结果为转盘粒化器的设计与优化提供了可借鉴的理论与应用基础。     

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。     

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。     

转盘离心粒化中丝状成粒特性

针对转盘离心粒化工艺,以水为工质开展可视化实验。采用高速摄影仪对液膜波动、液丝断裂等粒化过程进行了捕捉,并利用MATLAB自编程序对获得的图像进行了处理。分析了离心粒化过程中液丝形成过程以及液丝断裂形成液滴的过程。研究了运行工况对液丝、液滴形成机制的影响。讨论了液丝形成对液滴形成的影响并获得了Weber数、Reynolds数对粒化效果的影响程度。结果表明,表面不稳定波是形成液丝的主要因素,且液丝在Rayleigh不稳定性的作用下断裂形成液滴。升高转速或者减小流量有利于获得均匀的小液滴。Weber数对液丝、液滴形成具有显著影响;Reynolds数仅对液丝数目有显著影响。     

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。     

湍流分散体系中液滴破碎频率模型的黏性修正

在分析研究分散相黏度对液滴变形和破碎影响的基础上,提出了一个改进的液滴破碎频率模型并拓展了液滴破碎判据标准.同时通过Monte Carlo模拟的随机方法,得到了湍流搅拌槽中液-液分散体系的液滴直径分布和Sauter平均直径d₃₂.通过与文献中关于d₃₂的实验结果比较发现,该模型预测的Sauter平均直径更接近实验值,对于黏性分散相改进的液滴破碎频率模型要优于Coulaloglou和Tavlarides提出的模型.计算结果表明对于黏性分散相液滴,其黏度限制了液滴变形,使得液滴破碎频率被大大减少, 液滴直径明显增加,液滴直径分布向右偏移.     

错流碟片旋转超重力场中液膜体积分率的实验研究

错流碟片旋转填充床反应器可有效脱除燃煤烟道气中的二氧化碳和其它有害成分,但液体分布状态对反应速率有很大影响,研究液膜的体积分率可为该类型反应器的设计提供有效的依据参数;实验研究了碟片转速、液体流量、气体流量、碟片间距和碟片开孔率与液膜体积分率的关系,用每张碟片底部对应液体收集器储存并测量碟片表面液膜的体积流量,用高速摄像机记录不同条件下液膜的存在状态和变化规律.研究表明随碟片转速增加液膜分率降低,增强的离心力促使液膜破裂,但液滴的甩出速率增加,促使液滴二次聚并,有不连续液丝产生.增大入口液体流量,液膜分率减小,液膜厚度变化缓慢,空间液滴增大.增大气体流量,液膜分率减小,厚度变薄,碟片表面附着液膜被吹散,促使液体雾化.液膜分率随碟片间距增加减小,提高碟片间距可有效减少液滴二次聚并;碟片开孔率增大液膜分率减小,提高碟片开孔率可有效降低碟片表面液膜的连续性,促使液膜分裂.     

高相对分子质量PAN纺丝溶液的流变性质

研究了聚丙烯腈 (PAN )纺丝溶液的浓度、温度及聚合物相对分子质量对纺丝溶液的 lgηa ～lgγ流动曲线、粘流活化能、非牛顿指数和结构粘度指数的影响。结果表明 :高相对分子质量聚丙烯腈纺丝溶液具有明显的非牛顿性 ,结构粘度指数随纺丝溶液浓度的升高 ,PAN相对分子质量的增大而增大 ,随纺丝溶液温度的升高、聚合物相对分子质量和浓度的降低而减小。纺制高性能的高相对分子质量PA N纤维宜采用较低的溶液浓度和较高的纺丝温度。     

Rheological behavior of semidilute solutions of ultrahigh-molecular-weight polyethylene

The rheological behavior of spinning solutions of ultrahigh-molecular-weight polyethylene was investigated in stationary and dynamic conditions of shear flow. It was shown that at the shear rates characteristic of real spinning conditions, the elastic reaction of the solution is much higher than the viscous reaction. In conditions of constant shear stress that ensure non-Newtonian flow of the solution, the uniform decrease in the viscosity is replaced by an increase in time due to gradual formation of a cross-linked layer adjacent to the rotating disk of the working unit of the rheometer.     

High speed imaging of drop formation from low viscosity liquids and polymer melts in spinning disk atomization

An investigation of drop formation in a recently developed spinning disk atomization (SDA) technique is presented. In‐situ observations of drop formation at the disk rim, using a high speed imaging installation, are made. Atomizations covering two orders of magnitude in flow rate show that ligaments can also form at low flow rates. Sequences of pictures indicate that drops undergo a rotary motion as they detach from a ligament. In the direct drop regime, oscillating motions dominate. The effect of teeth shape at the disk rim on the resulting drops is compared. The effect on drop size and size distribution is found to decrease with increasing rotation rate and corresponding images are studied. Experiments with liquid viscosities ranging from 1 to 120 mPas reveal a fundamental difference in drop breakup, but a negligible change in drop size. Likewise, only a small effect of liquid density is detected. The surface tension's influence on the liquid spreading at the disk rim is described and the subsequent drop formation is qualitatively analyzed.     

共聚聚酰亚胺纺丝溶液流变性能的研究

研究了二苯酮四酸二酐-二异氰酸甲苯酯-二异氰酸二苯甲烷酯共聚聚酰亚胺(P84)的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液的流变性能.结果表明:P84质黄分数为17%～21%的NMP溶液为切力变稀流体,在温度为40～60℃时,其非牛顿指数为0.80～0.98,随着P84浓度增加或温度降低,其溶液的非牛顿性增加;在低剪切速率下,P8...     

新型搅拌桨用于黄原胶溶液气液传质的计算流体力学模拟

采用计算流体力学(CFD)方法对高黏度非牛顿流体黄原胶水溶液(质量分数2%)中对称锯齿双斜叶涡轮搅拌桨(SPT)的搅拌效果进行模拟,并与传统的圆盘涡轮搅拌桨(DT)进行对比。通过多重参考系方法解决搅拌桨区域的运动问题,采用Eulerian-Eulerian模型模拟气液二相流动,气泡聚并和破裂过程通过群落平衡方程计算。结果发现,在高黏度体系中SPT气液传质混合性能优于DT。与DT相比,在考察的转速和表观气速下,SPT搅拌功率消耗降低35%左右,氧传质效率提高超过24%。     

聚乳酸(PLA)的流变性能研究

以聚乳酸切片为原料,在不同温度下,利用毛细管流变仪测试其流变性能。流动曲线表明,聚乳酸熔体属于典型的切力变稀型非牛顿流体,其黏流活化能较低,有利于纺丝工艺条件的控制,且熔体结构黏度指数随熔体温度增高而减小,纺丝成纤性得到改善。     

Experimental and numerical analysis of heat transfer including viscous dissipation in a scraped surface heat exchanger

Viscous dissipation plays an important role in the dynamics of fluids with strongly temperature-dependent viscosity because of the coupling between the energy and momentum equations. The heat generated by viscous friction causes a local temperature increase in the high shearing zone with a consequent decrease of the viscosity which may dramatically change the temperature and velocity distribution. These processes are mainly controlled by the Brinkman number, the rotating velocity and the thermal boundary conditions. This work analyses forced convection heat transfer including the viscous dissipation in a scraped surface heat exchanger (SSHE). In this study the increase of the temperature due to the viscous dissipation is analysed both experimentally and numerically for Newtonian and non-Newtonian fluids. Heat transfer simulations including viscous dissipation were carried out by means of the CFD code of the software Fluent, version 6.3, with solving momentum and energy equations. Two thermal boundary conditions were considered: pseudo-adiabatic wall and constant temperature on the stator wall exchange. In the case of Newtonian fluid (pure HV45), for both considered thermal boundary conditions, an important increase of the temperature was obtained. In the case of non-Newtonian shear thinning fluid (2 wt% CMC solution), viscous dissipation is neglected. The developed numerical model agrees well with experimental results. The validated numerical model was then used to study the effect of index and consistency behaviour of shear thinning fluid using power-law rheological behaviour on the viscous dissipation, and correlation using dimensionless analysis expressed with different dimensionless process numbers is proposed for Newtonian and non-Newtonian shear thinning fluid.     

纤维素/硅酸钠纺丝原液流变性能的研究

采用旋转流变仪对不同阻燃剂添加量的粘胶共混纺丝原液的流变性能进行了研究。结果表明,添加阻燃剂的粘胶共混原液为切力变稀型流体。随着温度升高,粘胶混合原液的粘度降低,温度在50℃以后有凝胶现象,粘度急剧增大。与普通粘胶纺丝原液相比,加入阻燃剂后的粘胶混合原液非牛顿指数n和结构粘度△η、粘流活化能△Eη等流变参数没有较大的变化,纤维素/硅酸钠纺丝原液符合纺丝要求。     

基于VOF-DPM的气体辅助式污泥雾化破碎的数值模拟

为实现污泥雾化破碎的数值模拟,探究污泥雾化特征和操作参数对污泥雾化效果的影响,在污泥雾化试验平台试验的基础上基于Fluent软件对污泥在气体辅助式雾化器的雾化破碎进行模拟研究,模拟结果确定了污泥的雾化特征和最优操作参数。通过耦合流体体积法(VOF)与离散相模型(DPM),对较大的液体团采用VOF方法直接求解,对小液滴采用双向耦合的离散相模型进行追踪,能最大程度地提高计算的准确性。结果表明,污泥的密度和黏度随着含水率升高逐渐降低,气体速度、气液比和雾化角度是影响污泥雾化破碎的最重要的三个操作参数。在雾化过程中,中心区域的雾滴密度大于边缘区域且有少量大颗粒的聚集。对于含水率为87%、密度为1.065×103 kg/m3的污泥,在风速为180 m/s,气液比为126.3,雾化角度为55°时雾化效果最佳,雾滴颗粒的平均粒径约为0.193 mm,试验结果与模拟结果的颗粒粒径吻合度较好,最大相对误差为5.80%。