液—液分散体系中液滴的动力学行为研究

发布时间：2018-03-28 22:04

本文选题：液滴　切入点：相互作用　出处：《北京化工大学》2016年博士论文

【摘要】：互不相溶的流体之间的分散广泛应用于能源、环保、生物、造纸、食品、医药、化妆品等领域。在吸收、精馏、浮选、萃取等生产操作中,液-液两相之间的接触是通过将分散相以液滴的形式分散进入连续相中,并基于液滴的动力学行为对所需要的反应设备进行优化设计。以往关于液-液分散体系的研究,关注点总是液滴群在反应器内的宏观动力学行为,在稀疏态下的液滴与连续相流体间的相互作用机理研究尚不彻底。充分探索单液滴动力学行为,并基于此扩大液滴研究个数和体系复杂程度,得到介观尺度上的液滴动力学行为规律十分重要。因此,本文利用高速摄像技术和粒子图像测速技术(PIV)对不同黏度和界面张力的牛顿流体中单个液滴、连接型液滴、相互作用的双液滴的动力学进行了研究,以及通过两相分离方法对射流场中单液滴的破碎行为进行研究,旨在获得具有较为普遍适用性的单液滴动力学行为规律,以及液滴间相互作用发生聚并和破碎的临界条件,为进一步数值模拟和模型建立提供参考,为研究复杂的液-液反应体系提供基础数据和模型。在单液滴在牛顿流体中的形变及动力学行为研究中,系统分析了粒径范围为1.9-11.1mm的单液滴在不同连续相流体中的运动情况,考察了连续相黏度,界面张力等因素对单液滴形状、终速度、曳力系数和运动轨迹的影响。结果表明,在高黏度连续相中液滴微小的形变将对其终速度产生影响,对比文献报导Grace(1976)的速度经验关联式可用于预测De5.4 mm液滴的上升速度；Rodi and Fueyo(2002)的关联式适用于Re80范围内,液滴曳力系数的计算,在中等雷诺数下,当Re=360时,液滴受到的曳力系数会发生突变。通过分析液滴的运动轨迹,得到了液滴的最大振荡频率和当量直径的关系。在此基础上,进一步分析了液滴形变比的特征频谱,发现液滴形变比的最大振荡频率与液滴的横向特征振荡频率相同。通过二维PIV研究,得到了液滴周围的瞬时流场图,结果表明液滴的尾流具有非对称性和不稳定性,尾流特性可能对液滴的振荡产生影响。在连续相黏度范围为0.132～1.11 Pa·s,莫顿数范围为0.009679～51.40的六种体系中对由浮力驱动的共直线上升双液滴之间的相互作用进行了研究,其主要行为包括聚并、滑移分开、滑移连接和非滑移连接。通过液滴Bo-λ之间的关系,得到了产生四种作用结果的临界条件。其中,滑移连接产生的连接型液滴是液滴相互作用过程中的一种亚稳定状态,连接型液滴与其当量直径近似的单液滴具有相似的上升速度。集合经典的Rodriguez(2001)的曳力系数计算公式以及实验测得的单液滴和连接型液滴上升速度,迭代得出两种类型液滴上升速度的计算模型。运用傅里叶变换分析了不同体系中近似当量直径的单液滴和连接型液滴的横向振荡。其结果表明近似当量直径的单液滴和连接型液滴的振荡趋势相同,随着连续相黏度的降低,液滴的振荡频率增大。通过二维PIV对单液滴和连接型液滴尾流瞬时流场的测量可以看出：当量直径相近似的单液滴和连接型液滴具有相似的尾流长度,但尾流形态有差异。连接型液滴由于下端小液滴的存在使得其尾流的速度场大于单液滴。在纯甘油中研究了共直线上升的双液滴间的相互作用,重点探索了较大跟随液滴(12.7 mm≤DL≤15.8 mm)追赶上方小液滴(9.51 mm≤DL≤12.6mm)的相互作用阶段。提出了几何法及能量法判别液滴相互作用阶段的起始时间。在液滴相互作用过程中运用三角锥尾流模型计算得到液滴相互作用时的曳力系数解析式。结果显示,上液滴的曳力系数变化趋势与自由上升的单液滴趋势一致,但其曳力系数小于等当量直径的自由上升的单液滴,而跟随液滴的曳力系数并不呈单调的变化趋势。通过傅里叶变换,得到了相互作用阶段两液滴的横向振荡特征频率以及两液滴粒径比与共同·振荡频率的经验关联式。在单液滴在射流场中的破碎实验研究中,通过高速相机拍摄记录液滴的初始形状、上升速度及进入射流场后的形变破碎等情况,结合PIV粒子图像测速技术研究了射流场的流场情况对单个液滴的破碎行为的影响。研究结果表明：液滴在射流场中破碎前主要会经历三个尺度的形变,液滴的首次破碎位置与流场作用有关,其破碎后生成的子液滴数量与射流速度,入射位置和母液滴粒径有关。随着射流量的增大,最大子液滴数量增多,同时子液滴数量分布也变广。
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【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ021.1

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