电场作用下液滴界面动态响应机理研究

发布时间：2020-04-22 08:40

【摘要】：电场作用下液滴的变形与破裂过程对油水乳状液的静电聚结效率具有重要影响。从界面动力学角度探索电场中液滴界面的动态响应行为是强化液滴聚并的核心问题,也是目前工程实际中亟需解决的关键技术。本文结合理论建模和微观实验研究,建立了电场作用下液滴界面的运动模型,得到了液滴界面在变形和破裂前的响应规律与界面动力学机制,揭示了电场特征、介质物性和界面粘弹性质对液滴界面动态响应行为的作用机理,对完善静电聚并理论体系和研发高效静电聚结技术具有十分重要的意义。本文主要研究内容和结论如下:通过分析电场激励下液滴界面的瞬态响应行为,综合考虑静电压力、压差阻力、毛细压力与附加压力的作用,建立了直流电场、正弦交流电场作用下液滴界面的动态响应模型,并利用实验结果对其进行了实验验证。结果表明,模型计算结果与实验值较为接近,能够较准确的表征液滴界面的动态响应过程。通过耦合界面运动模型与界面流变学本构方程,实现了对粘弹性液滴界面运动过程的理论描述。模型的建立为探索电场作用下液滴界面的动态响应规律奠定了基础。对直流电场中纯净界面和粘弹性界面的运动特征进行了系统的理论与实验研究。基于液滴界面动态响应模型,探讨了界面动态响应时间、界面振动模式、振幅、振动周期和阻尼系数等响应特征与Ca数、Oh数、C_m~*、界面弹性系数T_1及界面粘性系数T_2的关联规律,阐释了直流电场作用下液滴界面运动特征演变规律的动力学机理,得到了界面动态响应模式与相应的C_m~*-Ca-Oh区间,明确了欠阻尼振动模式与过阻尼振动模式间的转变规律,揭示了界面粘弹性质对界面运动特征的影响机理。研究表明,可通过控制Ca数、Oh数和界面性质,有效抑制界面在电场中的过度振荡,优化界面的动态响应过程。对正弦交流电场作用下液滴界面的振动过程进行了受力分析,深入探讨了界面稳定振动时的振幅与相位差等特征参数的变化规律,以及Ca数、Oh数、C_m~*、无量纲电场频率ω~*和界面粘弹性质的影响机理。结果表明:在正弦交流电场中,由于界面受到交变静电压力的作用,使得无量纲电场频率ω~*与Oh数、C_m~*、界面粘弹性质间存在协同效应,通过改变界面在振动过程中受到的惯性力和粘性力作用,使得界面振动达到稳定状态时的相位差发生变化,进而对界面稳定振动时的幅频特性产生显著影响。对正弦交流电场中液滴破裂前界面的动态过程进行了实验和理论研究,探索了Ca数、Oh数、无量纲电场频率ω~*及界面粘弹性质的影响规律。研究发现,由于破裂前界面所受应力的变化,使得破裂前液滴界面的运动过程分为“快速增加、缓慢增加和再次快速增加”三个阶段,其中第二阶段的时长对控制液滴破裂过程具有显著影响。随Ca数的减小及Oh数、电场频率与界面粘弹性系数的增加,第二阶段时长增大,液滴破裂前的整体变形速率下降。因此,可通过合理调整液滴与连续相的物理化学性质、界面参数和电场参数,尽量降低Ca数并提高Oh数与电场频率将有助于延缓液滴的破裂。
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE621

【参考文献】