本文選題：液滴　切入點：相互作用　出處：《北京化工大學》2016年博士論文

【摘要】：互不相溶的流體之間的分散廣泛應用于能源、環(huán)保、生物、造紙、食品、醫(yī)藥、化妝品等領域。在吸收、精餾、浮選、萃取等生產(chǎn)操作中,液-液兩相之間的接觸是通過將分散相以液滴的形式分散進入連續(xù)相中,并基于液滴的動力學行為對所需要的反應設備進行優(yōu)化設計。以往關于液-液分散體系的研究,關注點總是液滴群在反應器內(nèi)的宏觀動力學行為,在稀疏態(tài)下的液滴與連續(xù)相流體間的相互作用機理研究尚不徹底。充分探索單液滴動力學行為,并基于此擴大液滴研究個數(shù)和體系復雜程度,得到介觀尺度上的液滴動力學行為規(guī)律十分重要。因此,本文利用高速攝像技術(shù)和粒子圖像測速技術(shù)(PIV)對不同黏度和界面張力的牛頓流體中單個液滴、連接型液滴、相互作用的雙液滴的動力學進行了研究,以及通過兩相分離方法對射流場中單液滴的破碎行為進行研究,旨在獲得具有較為普遍適用性的單液滴動力學行為規(guī)律,以及液滴間相互作用發(fā)生聚并和破碎的臨界條件,為進一步數(shù)值模擬和模型建立提供參考,為研究復雜的液-液反應體系提供基礎數(shù)據(jù)和模型。在單液滴在牛頓流體中的形變及動力學行為研究中,系統(tǒng)分析了粒徑范圍為1.9-11.1mm的單液滴在不同連續(xù)相流體中的運動情況,考察了連續(xù)相黏度,界面張力等因素對單液滴形狀、終速度、曳力系數(shù)和運動軌跡的影響。結(jié)果表明,在高黏度連續(xù)相中液滴微小的形變將對其終速度產(chǎn)生影響,對比文獻報導Grace(1976)的速度經(jīng)驗關聯(lián)式可用于預測De5.4 mm液滴的上升速度；Rodi and Fueyo(2002)的關聯(lián)式適用于Re80范圍內(nèi),液滴曳力系數(shù)的計算,在中等雷諾數(shù)下,當Re=360時,液滴受到的曳力系數(shù)會發(fā)生突變。通過分析液滴的運動軌跡,得到了液滴的最大振蕩頻率和當量直徑的關系。在此基礎上,進一步分析了液滴形變比的特征頻譜,發(fā)現(xiàn)液滴形變比的最大振蕩頻率與液滴的橫向特征振蕩頻率相同。通過二維PIV研究,得到了液滴周圍的瞬時流場圖,結(jié)果表明液滴的尾流具有非對稱性和不穩(wěn)定性,尾流特性可能對液滴的振蕩產(chǎn)生影響。在連續(xù)相黏度范圍為0.132～1.11 Pa·s,莫頓數(shù)范圍為0.009679～51.40的六種體系中對由浮力驅(qū)動的共直線上升雙液滴之間的相互作用進行了研究,其主要行為包括聚并、滑移分開、滑移連接和非滑移連接。通過液滴Bo-λ之間的關系,得到了產(chǎn)生四種作用結(jié)果的臨界條件。其中,滑移連接產(chǎn)生的連接型液滴是液滴相互作用過程中的一種亞穩(wěn)定狀態(tài),連接型液滴與其當量直徑近似的單液滴具有相似的上升速度。集合經(jīng)典的Rodriguez(2001)的曳力系數(shù)計算公式以及實驗測得的單液滴和連接型液滴上升速度,迭代得出兩種類型液滴上升速度的計算模型。運用傅里葉變換分析了不同體系中近似當量直徑的單液滴和連接型液滴的橫向振蕩。其結(jié)果表明近似當量直徑的單液滴和連接型液滴的振蕩趨勢相同,隨著連續(xù)相黏度的降低,液滴的振蕩頻率增大。通過二維PIV對單液滴和連接型液滴尾流瞬時流場的測量可以看出：當量直徑相近似的單液滴和連接型液滴具有相似的尾流長度,但尾流形態(tài)有差異。連接型液滴由于下端小液滴的存在使得其尾流的速度場大于單液滴。在純甘油中研究了共直線上升的雙液滴間的相互作用,重點探索了較大跟隨液滴(12.7 mm≤DL≤15.8 mm)追趕上方小液滴(9.51 mm≤DL≤12.6mm)的相互作用階段。提出了幾何法及能量法判別液滴相互作用階段的起始時間。在液滴相互作用過程中運用三角錐尾流模型計算得到液滴相互作用時的曳力系數(shù)解析式。結(jié)果顯示,上液滴的曳力系數(shù)變化趨勢與自由上升的單液滴趨勢一致,但其曳力系數(shù)小于等當量直徑的自由上升的單液滴,而跟隨液滴的曳力系數(shù)并不呈單調(diào)的變化趨勢。通過傅里葉變換,得到了相互作用階段兩液滴的橫向振蕩特征頻率以及兩液滴粒徑比與共同·振蕩頻率的經(jīng)驗關聯(lián)式。在單液滴在射流場中的破碎實驗研究中,通過高速相機拍攝記錄液滴的初始形狀、上升速度及進入射流場后的形變破碎等情況,結(jié)合PIV粒子圖像測速技術(shù)研究了射流場的流場情況對單個液滴的破碎行為的影響。研究結(jié)果表明：液滴在射流場中破碎前主要會經(jīng)歷三個尺度的形變,液滴的首次破碎位置與流場作用有關,其破碎后生成的子液滴數(shù)量與射流速度,入射位置和母液滴粒徑有關。隨著射流量的增大,最大子液滴數(shù)量增多,同時子液滴數(shù)量分布也變廣。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ021.1

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