电场作用下液滴分裂动力学行为的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法(LBM)伪势模型,耦合流场和电场控制方程,研究了电场作用下油水共存体系中水滴分裂的动力学行为及特性,借助形变率衡量液滴的形变大小,展现了液滴从形变至分裂的动态演变过程,分析了外加电场大小和液滴内外介电常数比对液滴分裂行为的影响。结果表明:外加电场能促使液滴发生振荡形变,且存在临界电毛细数和临界介电常数比决定液滴是否发生分裂:高于临界值,液滴形变率振荡幅度随时间不断增长,最终发生分裂;低于临界值,则液滴形变率振荡幅度不断衰减,并最终趋于一稳定值。在此基础上,综合考虑电场强度与介电常数比的影响,提出了基于现有电毛细数的修正电毛细数唯一地表征电场作用下液滴分裂与否。     

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。     

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。     

T型微流控芯片中微液滴破裂的数值模拟

利用VOF模型对T型结构微流控芯片中微液滴的三维破裂过程进行了数值模拟,获得了液滴发生破裂和不会破裂两种流型。一定轴向长度的微液滴对应着一个临界毛细数,当主流流体的毛细数大于此临界毛细数时,微液滴发生破裂并分别流向T型结构两侧;否则不会发生破裂,微液滴流向任意一侧。通过多个工况的计算,拟合了临界毛细数与微液滴相对轴向长度的关系,探讨了黏度比对微液滴破裂的影响。发现黏度比越小,微液滴越易发生破裂。     

电场对液滴界面张力及动力学特征影响的研究进展

电场是改变液滴界面张力的重要因素,施加不同类型的电场对驱动微流体运动、变形、分裂及合并等行为起着至关重要的作用,该技术广泛用于微液滴操控、电子显示和原油脱水等领域,并具有潜在的应用前景。文中综述了电场作用下微液滴气-液、气-固与液-液交界面张力的变化,分析了与界面张力对微液滴运动学行为影响相关的实验现象及模拟成果;指出电场作用下气-液交界面处表面张力的变化趋势,因实验及模拟方法不同目前仍存在较大争议;探讨了直流电和交流电对电润湿过程液滴铺展的不同影响和液滴形态振荡特征;分析了直流电、交流电及电脉冲对电破乳过程中液滴运动行为的重要作用。总结了电场对液滴界面张力影响研究中存在的问题,并提出了值得进一步深入研究的可能方向。     

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。     

脉冲电场作用下水滴动态响应特性研究

通过利用comsol数值模拟软件,对脉冲电场作用下的液滴运动规律进行模拟,建立液滴在脉冲电场作用下的物理模型和乳状液界面动力学模型;研究脉冲电场中乳状液的电场强度、占空比、介电常数等参数对液滴的变形行为的影响;针对脉冲电场中乳状液的电场强度、分散相水滴的受力以及各电场参数对水滴变形的作用机理等进行深入探讨,最终得到的水滴变形速率方程,能够较为客观地反映出脉冲电场作用下水滴的变形规律,具有一定的指导意义。     

液滴撞击丝网渗漏影响因素及临界准则

捕沫器等化工气液分离设备中,液滴撞击丝网速度超过临界值,部分液体穿透多孔丝网形成子液滴、发生渗漏,将严重影响下游生产的性能与安全。通过可视化实验测量不同丝网表面液滴临界渗漏速度,讨论倾斜角度、丝网结构参数、液滴直径及表面浸润性等因素对临界渗漏速度的影响。液滴渗漏是法向动压力联合水锤压力克服网孔毛细压力的结果。法向动压力是动压力分量,与丝网倾角相关。液滴撞击丝网极短的瞬间,液体受到压缩,产生的水锤压力与液滴投影下的网孔数存在定量关系。毛细压力与气液界面在网孔间的位置及接触角相关。水锤压力及毛细压力均受丝网结构参数影响。通过网孔间气液界面受力分析,有机地整合渗漏影响因素,得到了渗漏临界量纲1准则。该准则与实验结果高度吻合,可为气液分离器设计提供参考。     

液滴撞击丝网渗漏影响因素及临界准则

捕沫器等化工气液分离设备中,液滴撞击丝网速度超过临界值,部分液体穿透多孔丝网形成子液滴、发生渗漏,将严重影响下游生产的性能与安全。通过可视化实验测量不同丝网表面液滴临界渗漏速度,讨论倾斜角度、丝网结构参数、液滴直径及表面浸润性等因素对临界渗漏速度的影响。液滴渗漏是法向动压力联合水锤压力克服网孔毛细压力的结果。法向动压力是动压力分量,与丝网倾角相关。液滴撞击丝网极短的瞬间,液体受到压缩,产生的水锤压力与液滴投影下的网孔数存在定量关系。毛细压力与气液界面在网孔间的位置及接触角相关。水锤压力及毛细压力均受丝网结构参数影响。通过网孔间气液界面受力分析,有机地整合渗漏影响因素,得到了渗漏临界量纲1准则。该准则与实验结果高度吻合,可为气液分离器设计提供参考。     

电场强化错流膜过滤的研究

电场强化错流膜过滤技术可有效改善膜污染和浓差极化对错流过滤带来的不利影响。就电场膜过滤装置、机理、外加电场及影响渗透通量的因素这4个方面进行综述。目前研制的新型附加电场中空纤维膜组件克服了传统膜过滤组件的缺点,显示出很大的工程应用前景。电场强化错流膜过滤中会发生电泳和电渗等电动力学效应以及电化学效应。电泳是减缓膜污染一个主要因素,电泳和电渗两者共同作用,可以大幅提高过滤通量。采用脉冲电场可以减缓过滤速率的衰减幅度,节省单位体积滤液的电功率比耗。当颗粒具有较高Zeta电位、外加场强及跨膜压力接近临界值、错流速率较高时,过滤通量极限值将会得到提高。     

Transient and steady-state deformations and breakup of dispersed-phase droplets of immiscible polymer blends in steady shear flow

Transient and steady-state deformations and breakup of viscoelastic polystyrene droplets dispersed in viscoelastic high-density polyethylene matrices were observed in a simple steady shear flow between two transparent parallel disks. By separately varying the elasticities of the individual blend components, the matrix shear viscosity, and the viscosity ratio, their effects on the transient deformation, steady-state droplet size, and the breakup sequence were determined. After the startup of a steady shear flow, the viscoelastic droplet initially exhibits oscillations of its length in the flow direction, but eventually stretches preferentially in the vorticity direction. We find that at fixed capillary number, the oscillation amplitude decreases with increasing droplet elasticity, while the oscillation period depends primarily on, and increases with, the viscosity ratio. At steady-state, the droplet length along the vorticity direction increases with increasing capillary number, viscosity ratio, and droplet elasticity. Remarkably, at a viscosity ratio of unity, the droplets remain in a nearly undeformed state as the capillary number is varied between 2 and 8, apparently because under these conditions a tendency for the droplets to widen in the vorticity direction counteracts their tendency to stretch in the flow direction. When a critical capillary number, Ca_c, is exceeded, the droplet finally stretches in the vorticity direction and forms a string which becomes thinner and finally breaks up, provided that the droplet elasticity is sufficiently high. For a fixed matrix shear stress and droplet elasticity, the steady-state deformation along the vorticity direction and the critical capillary number for breakup both increase with increasing viscosity ratio.     

Deformation and breakup of water droplets containing polymer under a DC electric field

The deformation and breakup behaviors of droplets containing polymer are investigated by high-speed photography to reveal the mechanism of electric field collapse when treating the emulsion containing polymer. The results show the electric field collapse process caused by droplet breakup consists of three steps. First, the droplet containing polymer ejects liquid filament under strong electric field. Second, the liquid filament is continuously stretched until it touches positive and negative electrodes. Finally, the severe Joule heating effect appears because the strong electric current flows through the liquid filament. The release of a large amount of heat causes the formation, expansion, and collapse of bubble, resulting in the fracture of liquid filament and the collapse of electric field. The increase of polymer concentration strengthens the Joule heating effect and enlarges the influence scope of bubble expansion and collapse. These findings provide significant guidance for the stable operation of electric dehydrator.     

匀强电场作用下分散相液滴的变形和破裂

基于Cahn-Hilliard方程的相场方法,建立了在匀强电场作用下液滴的变形和破裂行为模型。从微观角度研究分散相液滴变形过程中电荷密度、电场强度和电场力的分布规律以及流场和电场分布,探讨了微观液滴变形机理;采用数值模拟方法研究了电场强度、液滴直径和界面张力对液滴变形的影响,结果表明电场强度越强,液滴直径越大,界面张力越小,液滴变形量越大;分析了液滴的两种主要破裂方式,其破裂主要取决于连续相和分散相物性条件,为电破乳技术提供了理论基础。     

Asymmetric breakup of a droplet in an axisymmetric extensional flow

The asymmetric breakups of a droplet in an axisymmetric cross-like microfluidic device are investigated by using a three-dimensional volume of fluid(VOF) multiphase numerical model. Two kinds of asymmetries(droplet location deviation from the symmetric geometry center and different flow rates at two symmetric outlets) generate asymmetric flow fields near the droplet, which results in the asymmetric breakup of the latter. Four typical breakup regimes(no breakup, one-side breakup, retraction breakup and direct breakup) have been observed.Two regime maps are plotted to describe the transition from one regime to another for the two types of different asymmetries, respectively. A power law model, which is based on the three critical factors(the capillary number,the asymmetry of flow fields and the initial volume ratio), is employed to predict the volume ratio of the two unequal daughter droplets generated in the direct breakup. The influences of capillary numbers and the asymmetries have been studied systematically in this paper. The larger the asymmetry is, the bigger the oneside breakup zone is. The larger the capillary number is, the more possible the breakup is in the direct breakup zone. When the radius of the initial droplet is 20 μm, the critical capillary numbers are 0.122, 0.128, 0.145,0.165, 0.192 and 0.226 for flow asymmetry factor AS= 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5, respectively, in the flow system whose asymmetry is generated by location deviations. In the flow system whose asymmetry is generated by two different flow rates at two outlets, the critical capillary numbers are 0.121, 0.133, 0.145, 0.156 and 0.167 for AS= 1/21, 3/23, 1/5, 7/27 and 9/29, respectively.     

混炼机横截面PP熔体液滴分散过程的数值模拟研究

对Fluent进行二次开发,通过用户自定义函数,将黏弹性流体的动量方程和变形张量输运方程加载到Fluent中,从而实现了对聚合物黏弹性流体流动的模拟。采用VOF界面追踪方法,对聚合物熔体中的单个液滴在混炼机横截面流场作用下发生的变形、破碎行为和二次团聚过程进行了分析研究。探讨了液滴在混炼腔复杂流场中的分散过程和微观结构的形成机理,对揭示共混改性过程中分散相织态结构发展演变过程和机理具有指导意义。结果表明,PP液滴在混炼过程中经历了变形、破碎、聚并过程;PP液滴在C形区发生了不均匀变形行为,在相互作用窗混沌流场下发生了拉伸、挤压、交叉行为;PP液滴的破碎行为包括毛细不稳破碎、末端夹断以及在螺棱背风面的松弛破碎。     

脉冲电场强度及频率对乳化液脱水的影响

为提高油田原油脱水处理效率,保证脱水电场的稳定性,满足陆上及海上石油处理设备紧凑、高效的技术要求,开展了脉冲电场下电场强度和频率对乳化液脱水效果影响的研究;通过水滴伸缩模型的建立,分析了水滴在电场作用下的受力情况,推导得出水滴形变量与电场强度的关系式;建立水滴振动动力学模型,分析水滴振动时的受力情况,得出水滴共振时外施电场频率的表达式,从理论上给出了最佳脱水频率的选择方法.研究结果表明,乳化液脱水过程中存在最佳脱水电场强度和最佳脱水频率.随着外施电场强度增加,脱水率逐渐升高,当外施电场强度超过水滴临界破裂电场强度时,脱水率有所下降,且脱水电场不稳定;当外施电场频率使水滴达到共振时,水滴振幅最大、脱水效果最好.