本文選題：液滴 + 界面輸運　； 參考：《華北電力大學(北京)》2016年博士論文

【摘要】：電場作用下液滴界面輸運和傳熱特性在電霧化、靜電紡絲、電噴干燥、電噴離子化以及原油電脫水等高新技術(shù)中扮演重要角色。在這些技術(shù)應用過程中,電場下液滴的蒸發(fā)、分裂、合并以及液滴的界面?zhèn)鳠崾前l(fā)生的最基本物理過程。電場下多組分液滴中不同粒子(水分子、離子和高分子)間復雜相互作用,特殊團簇結(jié)構(gòu)的形成,以及帶電粒子的定向運動,導致電場下液滴界面輸運和傳熱過程中出現(xiàn)諸多新問題和新現(xiàn)象。目前,實驗和理論研究很難從分子角度揭示液滴中粒子間復雜相互作用,導致新問題和新現(xiàn)象出現(xiàn)的機理尚不明晰,這成為高新技術(shù)進一步優(yōu)化和發(fā)展的瓶頸。本文采用分子動力學方法模擬電場下液滴的界面輸運與傳熱行為,研究內(nèi)容包括三部分：(1)電場下單個導電液滴(溶有鹽的水液滴)的蒸發(fā)和分裂特性；(2)兩個導電液滴的電合并行為；(3)高溫帶電壁面上水液滴的強化換熱。本文研究目的在于揭示電場下液滴界面動力學過程中蘊含的新機理和新規(guī)律,同時提出調(diào)控液滴界面輸運和傳熱行為的有效方法,為高新技術(shù)的優(yōu)化和發(fā)展提供堅實的理論基礎(chǔ)。電場下液滴的蒸發(fā)和分裂模擬結(jié)果表明,電場作用下液滴中加入鹽,一方面可以強化液滴的蒸發(fā)和分裂特性,另一方面能夠優(yōu)化液滴中分子鏈形貌。此外,調(diào)節(jié)液滴中鹽濃度,能夠有效調(diào)控液滴的蒸發(fā)和分裂行為。觀察液滴中粒子運動軌跡發(fā)現(xiàn),液滴中存在可以自由移動和形成“離子對”兩種狀態(tài)的離子。液滴的蒸發(fā)和分裂行為取決于液滴中自由離子數(shù)目。自由離子在高壓電場下高速運動會導致自由離子逃離液滴,發(fā)生子液滴噴射行為,從而強化液滴蒸發(fā)和分裂特性。此外,離子與分子鏈的特殊基團會形成配位結(jié)構(gòu),離子運動會帶動分子鏈運動,起到優(yōu)化分子鏈形貌的目的。因此,在靜電紡絲、電噴干燥、電噴離子化等高新技術(shù)應用中,向液滴中加入鹽可以調(diào)控制備產(chǎn)物的質(zhì)量和性能。電場下鄰近導電液滴會發(fā)生液滴的合并與不合并行為。當施加電場低于臨界電場強度時,兩個液滴接觸后完全合并；然而,當電場強度高于臨界值時,導電液滴接觸后發(fā)生液滴的部分合并或反彈行為。本部分工作首次從分子角度觀察到液滴接觸后離子的傳遞過程,并揭示電荷的傳遞是導致液滴不合并行為的微觀機理。模擬結(jié)果還發(fā)現(xiàn),尺寸越大的導電液滴合并與不合并行為的臨界電場值越小。施加脈沖電場,可以提高液滴發(fā)生合并與不合并的臨界電場強度,同時提高液滴電合并效率,更有利于原油的電脫水。當壁面溫度遠高于液體飽和溫度時,壁面上液滴會出現(xiàn)液滴的萊登弗羅斯特現(xiàn)象。即液滴與壁面間出現(xiàn)蒸汽層,嚴重阻礙液滴與壁面間換熱。高溫壁面上水液滴的傳熱行為模擬結(jié)果表明,濕潤性越強的壁面與液滴間換熱量越高,壁面上越容易發(fā)生液滴的萊登佛羅斯特現(xiàn)象。當高溫壁面帶有足夠多電荷時,帶電壁面會形成高強電場,可以顯著強化液滴與壁面間相互吸引,增加液滴固-液界面處水分子數(shù)密度。壁面帶電能夠有效抑制液滴萊登佛羅斯特現(xiàn)象的出現(xiàn),同時強化液滴與高溫壁面間換熱。
[Abstract]:The transport and heat transfer characteristics of droplet interface under the action of electric field play an important role in high and new technologies such as electric atomization, electrospun, electrospray drying, electrospray ionization and electric dehydration of crude oil. In these applications, the evaporation, splitting, merging and interface heat transfer of droplets under electric field are the most basic physical processes. The complex interaction of different particles (water molecules, ions and polymers) in multi component droplets, the formation of special cluster structure and the directional motion of charged particles lead to many new problems and new phenomena in the process of transport and heat transfer in the droplet interface under the electric field. The complex interaction between the new problems and the new phenomena is not clear, which is the bottleneck of the further optimization and development of high and new technology. In this paper, the molecular dynamics method is used to simulate the interfacial transport and heat transfer behavior of droplets under the electric field. The content of the study includes three parts: (1) a single conductive liquid drop (solution with salt water droplets) under the electric field The characteristics of evaporation and splitting; (2) the electric merging behavior of two conductive droplets; (3) the enhanced heat transfer of water droplets on the high temperature charged wall surface. The purpose of this study is to reveal the new mechanism and new laws contained in the dynamic process of the droplet interface under the electric field. At the same time, an effective method to regulate the transport and heat transfer behavior of the droplet interface is proposed, which is a new and high technology. The optimization and development of the operation provide a solid theoretical basis. The simulation results of evaporation and splitting of droplets under electric field show that adding salt in the droplet under the action of electric field can strengthen the evaporation and splitting characteristics of the droplets on the one hand, and on the other hand, it can optimize the molecular chain morphology in the droplet. In addition, the concentration of salt in the liquid droplet can effectively control the evaporation of the droplets. The movement of particles in the droplets shows that there are two ions in the droplet that can freely move and form the "ion pair" state. The evaporation and splitting behavior of the droplets depends on the number of free ions in the droplets. The free ions escape the droplets and the droplets of the generation of the free ions in the high pressure electric field. In addition, the special groups of ions and molecular chains will form the coordination structure, the ion movement will drive the molecular chain movement and optimize the molecular chain morphology. Therefore, adding salt to the droplets can be controlled in the high and new technology applications such as electrospun, electrospray drying, and electrospray ionization. The quality and performance of the prepared products. The combination and non merger behavior of droplets will occur near the electric field near the electric field. When the electric field is lower than the critical electric field strength, the two droplets are completely merged; however, when the electric field strength is higher than the critical value, the partial merge or rebound of the droplets after the contact of the conductive liquid drops. The transfer process of ion after droplet contact is observed from the molecular point of view for the first time, and it is revealed that the transfer of charge is the micro mechanism that leads to the unmerged behavior of the droplets. The simulation results also show that the smaller the critical electric field of the larger size of the droplets is combined with the unmerged behavior, the imposing the pulse electric field can improve the combination and non merger of the droplets. The critical electric field strength, at the same time increasing the combined efficiency of liquid drop, is more conducive to the electric dehydration of crude oil. When the wall temperature is far higher than the liquid saturation temperature, the droplet on the wall appears Lydon Frost phenomenon. That is, the droplets appear between the droplets and the wall surface, which seriously impede the heat transfer between the droplets and the wall. The simulation results show that the higher the heat transfer between the wall and the droplet is higher, the more easily the Lydon Frost phenomenon occurs on the wall surface. When the high temperature wall has enough charge, the charged wall will form a high-strength electric field, which can significantly strengthen the mutual attraction between the droplets and the wall, and increase the number of water molecules at the liquid droplet solid liquid interface. Wall electrification can effectively inhibit the appearance of Lydon Frost phenomenon of droplets and enhance heat transfer between droplets and high temperature walls.

【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O35

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本文編號：1875428