二维单液滴内颗粒沉降特性的数值模拟研究

燃煤烟气中的含细微颗粒物浆滴经烟气夹带进入大气会对电厂周边环境造成较大的危害.高效脱除含细微颗粒物的湿烟气冷凝液滴是防控细微颗粒物污染的有效手段,而细微颗粒物在液滴内部的流动与沉降行为对液滴脱除滑动特性有重要影响.基于此,本文建立了微米尺度固体颗粒在二维单液滴内的自由沉降运动模型,数值模拟研究了颗粒粒径、液滴形貌参数、...     

脱硫塔内单液滴捕集颗粒物的数值模拟

针对脱硫塔内单液滴捕集颗粒物,建立了考虑惯性、拦截、布朗扩散、热泳和扩散泳作用的单液滴捕集颗粒物模型。基于数值模拟结果分析了温度、液滴直径和颗粒粒径对单液滴捕集过程及效率的影响规律。无量纲分析表明,对脱硫塔环境下亚微米颗粒物的捕集,泳力作用强于惯性作用。推导了考虑Stefan流的扩散泳效率计算公式,经数值模拟结果检验,采用该公式能够准确地计算湿法脱硫过程对颗粒物的脱除效率。     

溶液液滴蒸发变干的环状沉积

液体蒸发驱动的颗粒自组装现象在许多的工业技术中有重要应用. 本文利用显微镜观测含有颗粒物质的液滴变干后留在固体表面的颗粒形成的环状沉积图案. 采用微米粒径的SiO₂小球水溶液液滴蒸发变干模拟咖啡环的形成过程, 结果发现液滴蒸发过程中接触线的钉扎是环状沉积的必要条件. 在液滴蒸发过程中颗粒随着补偿流不断的向液滴边缘移动, 聚集在接触线处形成环. 液滴蒸发变干后残留在液滴内部的颗粒数随颗粒质量分数的增加而增加, 可以达到单层的颗粒排列. 而玻璃衬底上的颗粒环在颗粒质量分数很小时, 形成单层排列, 且一排一排地生长. 蒸发过程中颗粒环由于液滴边缘的尺寸限制向液滴中心缓慢移动. 这会导致液滴中不同大小颗粒的分离. 关键词： 液滴 接触线 蒸发 颗粒     

丁二酸-水纳米气溶胶液滴表面张力的分子动力学研究

表面张力在纳米气溶胶颗粒的吸湿生长研究中具有重要意义,然而现有实验方法不能对其准确测量.本文基于分子动力学方法模拟了丁二酸气溶胶颗粒吸湿生长形成稳定液滴的动力学过程,在此基础上,建立模型计算了液滴的表面张力,进而探究了温度、粒径和丁二酸浓度对纳米液滴表面张力的影响机制.结果表明,随着温度从260 K升高到320 K,液滴内分子间作用力的减弱导致了液滴表面张力的减小,且表面张力的减小程度随丁二酸浓度的增大而增大,究其主要原因在于液滴中丁二酸分子的径向分布随温度和丁二酸浓度变化的差异;随着粒径的增大,液滴表面张力先增大后趋于定值,且粒径对表面张力的显著影响区间随着丁二酸浓度的增大而缩短;研究还发现,丁二酸分子的表面活性导致液滴表面张力随着丁二酸浓度的增大而减小,且减小趋势符合对数函数形式,尤其是在粒径小于6.12 nm时,同时,基于Szyszkowski公式对液滴的表面张力进行了拟合.本文研究成果能为气溶胶颗粒的吸湿生长和相关动力学过程预测理论及模型的改进提供参数依据.     

液滴蒸发对周围气相场的影响域特性分析

液滴在气体中运动蒸发的过程中,两相间会发生相互作用。为了弄清液滴对气相场的影响,基于液滴在气体环境中蒸发过程的现象和机理解释,提出液滴蒸发的影响域的概念,定义了影响域半径,并通过数值计算分析了不同条件下的影响域特性。结果表明,影响域内,由于液滴的存在使得其周围气相场参数变化较为剧烈;其他条件相同时,无量纲影响域半径几乎是一个定值。提出的影响域概念,对于研究气液两相间的相互作用机制具有重要意义。     

湿式静电协同脱除SO_2、PM试验研究

湿式静电除尘技术是实现燃煤烟气超低排放的关键技术,本文研究了湿式静电中电晕放电对SO_2强化吸收的影响规律,并就SO_2对电晕电流的形成、粉尘脱除的影响进行了研究。结果表明:湿式静电中喷淋液滴对SO_2具有洗涤作用,电晕放电可以强化液滴对SO_2的吸收效果,提高气液相间的有效传质速度。湿态条件下放电可最高实现SO_2传质提高13.8%,干态条件下放电对SO_2无脱除效果。SO_2吸附电子致使进入吸附区的自由电子数目减少,降低了颗粒的荷电,粉尘的脱除效率下降。     

外加液滴条件下固体细颗粒声凝并特性

外加声场激励下固体细颗粒的声凝并在燃烧污染物超低排放中具有应用潜力,添加大粒径液滴有望提高细颗粒声凝并效果.本文从颗粒运动、碰撞、凝并与反弹的动力学过程出发,基于直接模拟蒙特卡罗方法,建立气相中液滴与固体颗粒共存的气-液-固三相体系的声凝并模型,对外加液滴条件下固体细颗粒声凝并的过程和效果开展数值模拟.将模拟结果与实验相对比,验证模型可靠性.在此基础上,探究外加液滴条件下细颗粒声凝并动力学行为,考察外加液滴直径和数目浓度对细颗粒声凝并效果的影响规律.结果表明,外加液滴条件下,固体细颗粒迅速与大粒径液滴凝并,形成液-固混合相颗粒,细颗粒凝并效率显著提升.外加液滴直径和数目浓度是影响细颗粒声凝并的重要因素,随着直径的增大或数目浓度的提高,细颗粒凝并效率增大,而增幅趋于减小.研究结果可为复杂颗粒系统凝并模型的建立提供理论基础,并可为燃烧源细颗粒超低排放提供方法指导.     

腔增强拉曼技术下的过饱和硫酸镁液滴蒸发动力学初探(英文)

本文通过单光束梯度力光学镊子-拉曼光谱系统,对硫酸镁单液滴随着相对湿度变化的反应进行了探究。当硫酸镁单液滴被光镊捕获之后,通过相对湿度的梯度变化探究了捕获液滴的蒸发动力学变化。发生在与耳语回音模相称波长的受激拉曼散射可以用来准确地确定液滴半径,因此,可以通过腔增强拉曼散射得到在不同湿度下处于平衡的液滴半径信息。本研究通过光镊对硫酸镁单液滴的实时监测,阐述了在某个相对湿度范围内该液滴的粒径变化的过程和结果,在此之前的硫酸镁吸湿性研究中没有先例。研究结果表明在相对湿度逐渐降低至40%的过程中硫酸镁液滴半径的变化速率逐渐变小。而当相对湿度低于40%时,液滴半径的减小会被严重抑制。这种现象表示在高浓度条件下硫酸镁液滴中水的蒸发扩散速率会降低。另一方面,在蒸发过程后的相对湿度上升过程中,硫酸镁液滴尺寸的增加明显缓慢于湿度增长速度。这一现象显示液滴的尺寸变化是不可逆的。说明胶态的形成导致了传质受阻,从而阻碍了液滴中水分子的交换。     

基于蒙特卡罗原理的混合颗粒三相体系声衰减计算模型研究

从单个固体和液滴颗粒的声吸收和散射特性计算入手,基于概率统计的蒙特卡罗方法(MCM),将声波以离散化的声子加以处理,通过追踪其运动历程并进行事件统计,建立一种气体介质中球形混合颗粒的声衰减预测模型.对空气中铝粉颗粒和亚微米级水滴的声衰减分别计算和验证后,将模型推广至含有混合颗粒的三相体系,对铝粉和液滴构成的单、多分散混合颗粒体系进行数值研究.结果表明:两类颗粒的声吸收特性差异明显,其散射声压均随颗粒无因次尺寸kR的增加呈现从后向散射占主要地位逐渐过渡到前向增强的趋势.气液固混合颗粒三相体系中,颗粒类型对于声衰减影响明显、且随浓度的增加不同颗粒的衰减贡献不再遵循随混合比的线性递变关系;对于多分散体系而言,声衰减谱受平均粒径影响较大,对于粒径分布宽度参数则不敏感.模型可进一步结合数学反演形成混合颗粒体系测量的理论基础.     

液滴碰撞Janus颗粒球表面的行为特征

为研究液滴碰撞Janus颗粒(双亲性)球表面的独特行为特征,以粒径为5.0 mm铜球为材料制备了Janus颗粒,用直径为2.0 mm的液滴,在韦伯数(We)为2.7,10,20,30的测试情况下对Janus颗粒球表面进行了碰撞实验.结果表明:液滴碰撞Janus颗粒球表面后的运动可分为铺展、回缩、振荡和回弹4个过程.在不同We下,液滴碰撞Janus颗粒后的运动状态主要与表面润湿性相关,在Janus颗粒亲水侧表现为铺展特性且铺展系数γ随着时间t的增大而逐渐增大并趋于稳定;但在疏水侧,表现为回弹现象,铺展系数γ会出现类似"抛物线"形状;当液滴碰撞Janus颗粒球表面亲-疏水分界线时,液滴铺展和回弹同时发生.基于能量平衡和受力分析发现,液滴动能和表面能的互相转化是液滴铺展的关键,液滴会在重力、惯性力、表面张力、黏性力、接触力等力的综合作用下展现其独特的行为特征并最终达到平衡状态.     

液滴冲击无限大液面过程的边界元模拟

液滴冲击液面现象在自然界和工农业生产中极其普遍,如雨滴冲击水体表面、喷淋冷却及高温液滴破碎等。本文采用理想小可压缩势流模型,利用边界元方法对液滴冲击同种液体的无限大液面现象做了数值模拟研究,同时考虑到了重力和表面张力的影响。本义所采用的边界元方程在计算过程中可以忽略其弱奇异性。     

戊醇/生物柴油喷雾微观与宏观特性可视化研究

戊醇掺混生物柴油是非常具有潜力的可再生高活性替代燃料,但其掺混后喷雾雾化特性是制约其能否清洁燃烧关键因素。本研究在可视化定容燃烧弹中借助分光镜,将装配了长焦镜头和长工作距显微镜头的两台高速数码相机垂直布置,搭建了长焦高速阴影成像和长工作距离显微高速阴影成像同步测量平台,同步实时捕捉多个喷射循环内宏观和微观喷雾图像,开展了戊醇/生物柴油喷雾宏观和微观特性的可视化试验。针对微观喷雾液滴直径和瞬时速度特征,开发了基于液滴分离和液滴追踪的颗粒追踪测速方法;针对宏观喷雾特性,基于最大类间方差法,获得喷雾贯穿距和喷雾锥角。本文定量表征了远场离散液滴回卷过程中直径(分布)和瞬时速度(分布),回卷平均速度约为轴向平均速度的1/20。     

低压闪蒸液滴形态和温度变化的研究

将液滴在常压下突然置于低压环境中,液滴由最初的平衡状态变成过热状态,发生闪蒸.本文实验研究了低压闪蒸液滴内部形态和温度的变化,系统描述了液滴闪蒸过程中的各种形态变化,总结了稳态闪蒸和稳态结冰过程中环境压力和初始温度对温度变化的影响.实验结果表明液滴闪蒸分六种形态.稳态闪蒸中环境压力越低,液滴的最终温度也越低;液滴的初始温度越高,降到最低温度的时间越长.稳态结冰过程中,液滴初始温度增加,液滴结冰温度和结冰回升最高温度也随之增加;液滴的结冰温度和回升最高温度随环境压力的增高而减小.     

碰撞聚合引起液滴数目变化的生灭过程模型

液滴碰撞聚合是气体/液滴两相流动中的重要现象.为研究碰撞聚合引起的液滴数目变化,考虑液相仅包含大小两类尺寸液滴的情形,计算不同尺寸的两个液滴间的碰撞概率,对固定观察区域内液滴的碰撞聚合、迁入及迁出因素作随机分析,建立描述液滴数目变化的生灭过程模型.由无条件概率模型方程,得出模型方程的相应平稳分布.以雨滴下落过程的质量增长为例,说明所得分布在气体液滴两相流动中的应用.     

多光阱光镊技术对多个液滴捕获和悬浮控制

光镊技术捕获单个液滴并进行受激拉曼测量,在气溶胶动力学过程的研究方面取得了很大进展。然而,对于大气颗粒物之间通过碰撞完成由外混到内混的转变过程的定量分析,需要实现多种液滴同时捕获、操纵、碰并过程的精密观测。本文报道利用多光阱光镊技术对多液滴进行抓获,从而实现液滴之间的碰并复合过程的观测。为了实现多液滴的抓取,我们在单光镊技术的基础上,引进了声光偏转系统(AOD),这是多光阱光镊的核心技术。可以有效的将单光阱转化为多光阱,从而根据需要抓取一定数量的液滴,同时为后期的多液滴光谱测试奠定了基础。     

水平管油水分散流液滴粒径及其分布规律研究

油水两相分散流是油水混输管道常见的流型之一,液滴是油水分散流的主要特征,液滴在油水两相管路中受到湍流惯性力、剪切力、界面张力、黏性力等多种力的作用而发生聚结和破裂,从而形成不同的液滴粒径及其分布。本研究采用高速摄像和显微照相两种方法研究了水平管中油水分散流的液滴粒径随混合流量、温度和含油率等参数的变化规律,并利用三种概率分布函数研究了液滴粒径的分布特性。研究结果表明:分散相液滴的Sauter平均直径随混合流量的增加而逐渐减小、随温度升高而逐渐增大、随含油率的增大而增大;液滴粒径的分布规律与Log-Normal和Frechet概率分布函数符合较好。     

基于格子Boltzmann方法的液液不混溶两相流动数值模拟

具有介观特性的格子Boltzmann方法能够准确方便地捕捉相界面细节,在两相流动领域具有广泛的应用前景.本文在简要介绍格子Boltzmann方法的基础上,利用格子Boltzmann方法的颜色模型对四类经典两相流动问题进行了模拟,界面张力的Laplace定律验证、单液滴松弛过程、两个液滴融合过程、水平通道内不混溶液液两相流动.结果表明,液滴界面张力符合Laplace定律;黏性越大,液滴松弛过程越稳定;界面张力越大,液滴融合速度越快;格子Boltzmann方法能够有效描述液液两相流动的界而信息。研究工作为应用格子Boltzmann方法分析两相流动问题奠定了理论基础.     

声波作用下液滴碰并沉降及其氢氧同位素特征*

液滴沉降过程中会与环境水汽发生物质交换。论文通过小尺度室内实验,研究了低频声波作用下液滴碰并沉降及其与气室环境水汽氢氧同位素交换特征。研究结果证实液滴沉降过程中存在同位素交换,该过程受声波显著影响。声波作用后液滴粒径增大,液滴沉降后汇集水中重同位素出现富集。液滴与环境水汽氢氧同位素交换强度与液滴初始粒径呈正相关,声波对大液滴群影响的显著性水平可达0.05。该研究可为室外声波增雨雪试验效果评价提供理论参考依据。     

水平均质表面上液滴聚合过程的可视化实验研究

对水平均匀表面上液滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了液滴半径和液滴物性等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径和接触角变化特性的影响规律。实验结果表明:液滴聚合中液桥半径和接触角都呈衰减振荡变化; 聚合前液滴半径越小,液桥半径振荡频率越大,振幅越小,振荡时间越短;液滴的粘度越大,液桥半径的振荡频率越小, 振幅越小,振荡时间越短;液滴聚合前的接触角明显大于聚合液滴静止后的接触角,其差值与固体界面状况和气、固、液物性相关。     

倾斜均质表面上等径水滴聚合过程的可视化实验

对倾斜均匀表面上等直径水滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了水滴直径和表面倾角等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径、接触角和接触线变化特性的影响,分析了水滴聚合对其运动的影响.实验结果表明:表面倾角越大,下滑的临界半径越小;液滴的直径越大,液滴聚合后越容易下滑;液滴聚合可以加快液滴的运动,使下滑临界半径减小.