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。     

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。     

无机盐浓度和种类对静电破乳的影响

为探究静电聚结破乳机理,采用显微实验研究的方法,深入考察不同无机盐浓度和种类条件下W/O乳状液分散相液滴在脉冲电场作用下的破乳聚并行为。实验发现,一定范围内,随溶于分散相无机盐浓度的增加,液滴电导率增大,极化作用力增强,迁移聚并速率加快,沉降分离效果提升。无机盐浓度过高时,极化作用力、离子冲击力激增,出现过度极化现象。电导率、界面张力、pH值和介电常数差别不大的条件下,液滴的极化效果主要取决于离子极化效应,高价盐的静电聚结速率显著增大。油水界面张力低、离子价位高的条件下,极易形成数量较多、长度极长的液链,降低了液滴的迁移聚并速率。上述研究成果为高效紧凑的静电聚结设备的开发提供了依据。     

高压高频动态脉冲电场参数对水滴聚并速率的影响

在室内动态实验研究基础上,全面考察高压高频脉冲电场的场强、频率、占空比对静电聚结器出口水滴粒度分布、中位粒径以及静电聚结器平均功率的影响规律,归纳了水滴聚并速率模型。研究结果表明,在乳状液初始分布一定的情况下,一定范围内增大电场强度、电场频率和脉宽比,有助于提升水滴的静电聚并速率。电场强度超过1.87k V?cm-1后发生电分散,聚并速率降低。连续相的黏度越小,水滴在迁移聚并过程中的阻力越小,聚并速率越大。脱水电流随各电场参数的增加而增大,电流过大时,部分电场能经水链发生泄漏,水滴聚并速率有所降低。所得到的水滴聚并速率表达式反映了高压高频脉冲电场参数对水滴聚并规律的影响,为脉冲静电聚结破乳机理的深入研究奠定基础。     

油包水乳状液电脱水中水滴变形和聚并行为研究

为了研究电脱水过程中水滴的微观变形形态,基于相场法建立电场作用下油包水乳状液中水滴聚并和变形行为的数值模型,采用王亮等的实验参数以验证该模型的准确性.结果表明:在匀强电场作用下,油包水乳状液中水滴粒径越大,油水界面张力越小,电压越大,电场作用下水滴的变形度越大,且电压对液滴变形影响最大,界面张力影响最小.在该文研究条件下,最优电压大小为14 kV,最优界面张力为0.024 mN·m-1.在非匀强电场作用下,方波作用下液滴的聚并速度最快,正弦波次之,锯齿波最差,最短聚并时间为0.14 s.此外,增大液滴聚并的稳定性需要同时考虑入口流速和电场强度作用,在入口流速在0.01～0.08 m·s-1时,电场强度需要控制在440～700 V·mm-1.     

非均匀正弦交流电场液滴介电泳迁移规律研究

为了探究非均匀电场下液滴的迁移机制,基于显微观测和数值模拟手段,研究了蜂窝-悬针电极间非均匀正弦交流电场液滴介电泳迁移规律.结果表明,随电压幅值增加,介电泳力增大,液滴速度、加速度、瞬时速度波动幅度和频率均显著增大;随电场频率增加,受液滴极化及驰豫特性的影响,液滴平均速度先增大后减小,电场频率为200 Hz时,平均速度...     

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。     

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。     

海上原油乳化液在高频脉冲电场中的脱水特性研究

为了探究高频脉冲脱水法对海上原油的适应性以及脱水电参数的选取方法,本文通过实验开展了高压脉冲电场下原油乳化液电脱水特性的研究,分析了高频电场的频率、电场强度、含水率、破乳剂浓度对原油乳化液电脱水效果的影响,并通过实验结果分析了高频脉冲电场对海上原油脱水特性的影响规律,同时通过回归分析方法确定了原油在电脱水过程中最优电参数的选取方法。研究结果表明:在高频脉冲电场下,脱水前期在较低电场频率下,脉冲电场强度和频率对脱水效果的影响并不明显;在较高电场频率下,随着电场强度的增大,原油乳化液在脱水初期的脱水效果越好。当脱水进入中后期,原油脱水效果随着电场强度的增大而增大,随着频率的增大而降低;该回归分析方法可根据原油的物性参数确定电脱水过程中电场强度、频率的选取范围,实现对电脱水效果的预估计,保证脱水电场的稳定性,提高电脱水效率与脱水质量。     

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。     

高频高压脉冲电场作用下水链形成与消散行为的实验研究

为深入探究原油乳状液静电聚结破乳过程中水链形成、消散行为机理,对高频高压脉冲电场作用下水链形成与消散行为进行显微实验研究,得到乳状液中水链形成与消散的方式。实验条件下,水链的形成方式有两种:单液滴在高电场强度下,由于较大的极化力引发的水滴中段扯裂成链,水链长度大于1000μm;液滴群在高频高压脉冲电场中发生接触时,液滴界面膜发生静电击穿引发聚结成链,链长为268μm。水链消散的方式也有两种:水链自身水滴在电场作用下发生极化,当液滴间的静电应力大于液滴表面张力时即发生聚并消散,链长51μm、平均粒径8.8μm的水链聚并消散为一个粒径16μm的液滴,而链长204μm、平均粒径20μm的水链聚并成链长68μm、平均粒径33μm的水链;外界液滴与水链端部液滴接触时,液滴和水链的部分电荷发生中和,电荷分布发生变化,水滴在电场极化力作用下发生聚并,粒径26μm的外界液滴与链长37μm、平均粒径9.3μm的小水链聚并成一个粒径30μm的大液滴,而粒径35μm的外界液滴与链长259μm、平均粒径39μm的水链聚并成链长210μm、平均粒径50μm的水链。     

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。     

高压脉冲电场中乳化油最佳破乳电场参数

合理的电场参数是确保高压脉冲电场实现乳化油液高效破乳脱水的重要前提,目前关于电场参数的理论研究鲜有报道。通过建立乳化油液滴在高压脉冲电场中的振动动力学模型,研究液滴振动幅频特性,得到液滴共振频率及共振振幅。在此基础上,根据乳化油系统物性参数,结合液滴最大稳态拉伸变形条件,利用作图法可计算出乳化油最佳破乳电场频率与电场强度的值。实验结果表明,计算得到的最佳破乳电场参数能够实现乳化液滴高效结聚。因此,利用非线性振动动力学确定的乳化油最佳破乳电场参数是合理可靠的。     

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。     

脉冲电场作用下液滴数值模拟研究

根据高频脉冲电场中乳状液破乳的相关研究,拟通过对液滴在脉冲电场中变形、破裂以及聚并研究,设计水滴静电聚结实验样槽,并运用comsol软件进行脉冲电场数值模拟,建立液滴在脉冲电场作用下的理论模型。通过模拟结果发现,电场的临界电场强度在350～500 k V/m之间时,液滴的拉伸接近纺锤形且达到拉伸极限,同时对电场中变形因素进行分析,形象的描述了液滴在电场中的变形,为电场破乳提供研究基础。     

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。     

电场作用下基面液滴蒸发与内部流动数值模拟

为探究电场强化基面液滴蒸发的原理,本文采用有限元方法,对外加电场作用下的固体基面上液滴的蒸发过程进行了数值模拟,对比了不同电导率液滴的蒸发过程,分析了电场、液滴蒸发速率和内部流动的影响及其成因,以及液滴在电场作用下的内部流动与液滴传热传质的关系,结果表明,电场力的作用能够显著强化液滴内部的流动,对液滴的传热传质具有促进作用。此外,本文分析了温度对电场下基面液滴蒸发及内部流动的影响,发现温度对电场、液滴内部流动及蒸发的强化作用也有着较为明显的影响：对于电导率较低的纯水液滴,当电场强度低于和高于临界值6kV/cm时,温度对电场强化液滴内部流动和蒸发的影响有所不同;对于电导率较高的盐酸液滴,温度对电场强化液滴内部流动和蒸发的影响随电场强度升高均较大。本文为发展高效静电喷雾冷却技术提供了研究基础。     

高压高频脉冲电脱水机理探析

对电场作用下W/O乳化液中分散相水滴进行了受力分析,并探讨了高压高频脉冲电脱水机理。分析表明,水滴相互靠近、即将聚并时,阻力显著增加,阻力大小与水滴粒径、间距、连续相粘度以及排液系数等有关;电场强度介于临界破乳场强和临界乳化场强时,水滴发生聚并且不发生电分散;水滴在脉冲电场下的受迫振动频率与其固有频率相接近时,共振效应最为明显;脉宽比适中时,静电极化效应明显,可避免电场能泄漏、垮电场等事故的发生。     

电场参数对高频脉冲水滴电聚结行为的影响

文章在高频高压脉冲电场条件下,研究了电场强度、电场频率、占空比等电场参数对水滴靠近过程中的变形及运动特性的影响。结果表明:在水滴靠近过程中,自开始施加电场到聚并时比为0.8时,平均变形度和靠近速率变化甚微,在此之后水滴由于偶极作用力和偶极极化变形效应的增强而发生大幅度变形和加速靠近,直至开始聚并。当E=1.071—1.813 kV/cm,f=2—6 kHz,n=12.8%—87.5%时,随电场参数的增大,水滴靠近时间呈现不同趋势的缩短,平均变形度明显加剧,靠近速率小幅增大,且后两者具有相近的变化规律,说明水滴间的极化力和本身的变形性具有一致性。本研究为高频脉冲电场下水滴电聚结和新型动态电聚结设备的优化提供理论基础。     

新型静电聚结器中水滴聚结特性研究

传统电脱水器采用裸电极,含水率较高时在高强电场作用下容易发生击穿现象,今设计了包覆绝缘层的高压电极并加工了新型静电聚结器,可有效避免击穿现象的发生。采用水/原油乳状液为实验介质,并利用显微高速摄像系统结合图像处理技术对水滴的聚结规律进行了观察和分析,探索了电场强度、流量、含水率等因素对水滴聚结特性的影响。结果表明:包覆绝缘层的高压电极可有效防止电击穿现象的发生,增加电场强度有助于油水分离,但高于临界场强后容易导致液滴破碎;含水率为10%、20%、30%时,最优电场强度不同,分别是372、320和204 kV m 1;含水率10%和30%乳化物液滴粒径增大倍数明显大于含水率20%的工况;电场作用时间影响液滴聚结效果,高强电场在低流量下具有很显著的作用;随着流量的增加电场作用降低,但高强电场在高流量下依然使液滴粒径明显增大。