表面弹性和分离压协同作用下的垂直液膜排液过程研究

发布时间：2020-04-30 21:07

【摘要】：泡沫在工业和生活领域中应用广泛。在泡沫体系中,分散气相通过液体膜相隔,因而泡沫间的液膜可通过排液控制泡沫稳定性,因此研究液膜排液稳定性有利于揭示泡沫衰变机理,进而为泡沫在各领域内的高效应用奠定理论基础。现阶段多以从活性剂溶液池中提拉出的悬挂薄膜的排液过程为研究对象,探究分离压和表面黏弹性对排液过程的影响。前人研究多集中在实验方面,或只考虑某一单一影响因素,尚缺乏理论上的深刻认识。为此,本文在分别考虑液膜含不溶性和可溶性活性剂的基础上,建立了包含液膜厚度,表面速度,表面和内部活性剂浓度的垂直液膜排液模型,并分析分离压、表面弹性、溶解度和吸附系数对排液过程的影响,主要内容如下:(1)针对含可溶性活性剂的垂直液膜排液过程,以Navier-Stokes方程作为控制方程,应用润滑理论建立了含可溶性活性剂的顶端固定,底端与活性剂溶液池相连的垂直液膜排液模型,并引入指数型分离压模型和表面弹性方程,推导液膜厚度,表面速度,表面和内部活性剂浓度的耦合方程组。(2)针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,在考虑表面弹性和分离压耦合作用基础上,对推导所得计算模型进行简化,并通过Freefem有限元分析软件进行数值计算,分析了表面弹性和分离压单独作用和耦合作用下的液膜演化特征。结果表明当二者耦合作用时,可得到较稳定液膜,排液前期增加表面弹性可提高液膜厚度,降低表面速度和促使液体逆流从而减缓排液过程,后期出现黑膜后,分离压中的静电斥力起主要作用,延缓液膜“老化”。(3)针对含可溶性活性剂的垂直液膜排液过程,在考虑分离压作用的前提下,通过Freefem有限元分析软件进行数值计算,分析了难溶性系数,吸附系数和极限膨胀弹性对含可溶性活性剂液膜排液特征的影响。结果表明液膜稳定性随活性剂的溶解度和吸附系数降低而增加,极限膨胀弹性的作用效果随排液进行发生变化。
【图文】：

局部放大图,分离压,液膜厚度,局部放大图

图 2-2 分离压与液膜厚度关系(b 图为 a 图的局部放大图)边界条件为：y=0，uy=w=0 (2-5)在自由界面 y h( x,t)处，满足动力学边界条件和应力平衡边界条件：whhutx (2-6)sssn T n 2 H 2H( ) υ(2-7)sss2sn T τ τ ( )τ υx(2-8)式中，，n和分别为液膜表面处的单位法向矢量和切向矢量。T 为应力张量，其一般形式为 () T p I μ υ υ，I 为单位张量，上标 s 代表液膜表面；H 和γ分别是液膜表面曲率和张力，υ＝(u,w)；s 和s 分别代表液膜表面膨胀粘度和剪切粘度；和2 分别代表哈密尔顿算子和拉普拉斯算子。为简化模型，假定表面张力与活性剂浓度为线性关系[25]，即：0 0( )Γ Γ Γ(2-9)式中， Γγ为表面张力随活性剂浓度变化曲线的斜率，γ0为初始表面张力，Γ0为初始

液膜,分离压,排液,表面速度

液体在重力作用下迅速向下排液，液膜迅速变薄(图3-1a)，其过程包含四个典型特征区：1)在顶部，由于液膜固定在线框且要满足杨氏关系[56]，因而形成一弯月面，且液膜曲率为正(图 3-2)；2)在中间部分则形成液膜曲率几乎为零的区域；3)在液膜底端，液体在重力、表面张力及毛细抽吸等相互作用下发生震荡而产生毛细波[60]，液膜曲率经历了正-负-正的变化；4)与液池相连处仍满足杨氏关系，同样产生一弯月面。初始表面速度较大(图 3-1c)，表面活性剂在液体带动下不断汇集到底部(图 3-1b)
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK12

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