荷电液滴捕集颗粒物特性的研究

设计了荷电液滴捕集颗粒物的实验装置,对自由落体荷电液滴捕集颗粒物特性进行了实验研究。荷电液滴穿过粉尘室捕集颗粒物并在载玻片上铺展,利用显微镜对不同下落高度和荷电量的荷电液滴吸附的颗粒物在液滴表面的沉积特性进行了观察和分析。实验表明:荷电液滴的颗粒物捕集量高于非荷电液滴一个数量级以上;颗粒物在荷电液滴表面发生了显著的团聚现象;荷电液滴的迎风面是捕集颗粒物的主要区域,但是颗粒物的实际沉积区域小于液滴的半球面;降低下落高度或增大荷电量能够提高液滴对颗粒物的捕集半径,但是会加剧液滴捕集效率的波动;在一定的雷诺数范围内,液滴对颗粒物的捕集量与其电荷量呈线性比例关系。     

电场对协流式微流控装置中乳液液滴生成行为的调控机理

建立了直流电场作用下协流式微流控装置中单乳液液滴乳化生成过程的非稳态理论模型,并开展了数值模拟研究,揭示了电场对液滴乳化生成动力学行为的调控机理,阐明了流场/电场参数对液滴乳化生成特性的影响规律.研究结果表明:沿流体流动方向施加静电场可在电物性参数不同的两相流体界面法线方向上产生指向内相流体的电场力,进而强化了内相流体界面的颈缩和断裂,提升了液滴生成速率和形变程度,减小了液滴生成尺寸;在同一毛细数下,随着电毛细数的增大,乳液乳化流型由每周期仅有单一液滴生成的滴式流型转变为每周期有一个主液滴并伴随有卫星液滴生成的滴式流型;随着毛细数和电毛细数的增大,黏性拖曳力以及电场力作用增强,使内相流体颈缩过程后期更容易形成细长型液线,从而有助于诱发液线上产生Rayleigh-Plateau不稳定现象,继而促进卫星液滴的形成.     

流体惯性对弹性界面液滴吸附行为的影响

弹性膜包裹黏性流体组成的液滴(弹性界面液滴)可与功能性壁面形成化学吸附键,产生吸附力,与黏性力和惯性力共同控制流场中液滴的吸附动力学行为。本文基于前期发展的界面追踪(Front tracking method)-界面有限元方法,结合吸附反应动力学模型,发展了可同时考虑流体惯性、界面弹性和流体黏性的弹性界面液滴吸附动力学三维模拟方法。重点分析了流体惯性对弹性界面液滴吸附行为的影响规律。结果表明:雷诺数增大导致流场作用于弹性界面液滴的阻力和升力都增大,因此流体惯性作用导致弹性界面液滴更容易从壁面脱附。     

疏水表面单液滴荷电蒸发的特性研究

综合运用PIV、高速数码及图像处理技术,对不同电导率液滴在外加电场下蒸发的显微形貌特征及内部微流动进行了可视化研究。通过荷电液滴内部的速度云图及流线图,探究内部流动速度及流动状态与电场力、液体电导率等因素的关系,对液滴荷电蒸发过程的各个蒸发模式进行了定义。给出了液滴的内部微流动与电场力的关系,对疏水表面液滴荷电蒸发过程的变化趋势进行了标准化处理,给出相应方程,并与实验进行了对比。     

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。     

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、...     

电场与拉伸流场共同作用下双重乳液形变特性研究

本文采用基于Cahn-Hilliard方程的相场方法(Phase-field Method)捕捉液-液流体界面,并利用电流模型(Electric Currents)表征电场力作用,通过电场与多相流控制方程的双向耦合,建立了电场和拉伸流场共同作用下双重乳液形变动力学行为非稳态理论模型并开展数值模拟研究,揭示了流场和电场对双重乳液形变行为的调控机理。研究表明:双重乳液液滴处于单一拉伸流场中外液滴产生宽扁型形变,内液滴产生瘦长型形变;通过施加外加电场可以主动抑制双重乳液的形变,使液滴在拉伸流场中维持球形。     

组合电极荷电雾化的实验研究

为合理设计微小尺度液体燃料荷电喷雾燃烧器,开展了不同运行参数下喷雾特性的PDA(相位多普勒粒子分析仪)实验研究.实验段采用由喷嘴电极-环形电极-收集网格形成的组合电极结构,以乙醇为燃料,控制不同的喷嘴电压、环形电极电压、流量、收集网格位置等参数,测试了不同条件下的喷雾粒径、轴向速度、轴向脉动速度.在本文实验工况下发现:喷嘴电极电压的增加,粒径和速度减小.环形电极可显著减小喷雾粒径和速度。在环形电极感应荷电的作用下,粒径随着环形电极电压增加而增大。流量越小,粒径、速度越小,喷雾更稳定.增大收集网格到喷嘴出口距离,由于液滴蒸发的作用会使液滴粒径变小,在液滴粒径变小和黏滞力的双重作用下液滴轴向速度减小。     

ρ-VOF:一种可清晰模拟自由界面的两相流方法

文章通过对EFM(effective field modeling)模型进行简化, 消除了原模型的非守恒性项和非双曲性特性项, 发展了一种基于密度的气液两相流模拟方法: ρ-VOF方法.利用体积分数信息对控制单元内的自由界面进行重构, 得到了控制单元内流体的空间分布, 并采用AUSM+-up格式获得考虑气液流体接触间断信息的对流通量.新方法可统一处理激波间断和接触间断的相互作用, 保持自由界面的尖锐性, 并且其计算量与自由界面的空间复杂度无关.最后, 数值模拟了液体激波管气液激波管和气体激波跨二维液滴传播等问题, 并与文献结果进行对比, 验证了本方法在气液两相流模拟中的准确性.      

工业中粉体颗粒的荷电机理及数值模拟方法

工业过程中粉体颗粒不可避免地会相互摩擦碰撞而荷电. 荷电颗粒的存在可能会危害正常的工业生产过程, 也可能对工业过程起促进作用. 因此, 荷电粉体颗粒及其特性受到了广泛的关注, 但目前对粉体颗粒的荷电机理依然缺乏透彻的了解, 尤其是在气固两相流动中的粉体颗粒荷电现象. 事实上, 工业中存在的粉体颗粒的运动都受到流体的影响, 是典型的气固两相流系统, 流体对粉体颗粒的作用使粉体颗粒接触的荷电现象变得更为复杂, 因此从两相流动的观点来研究粉体颗粒荷电的物理本质就显得越来越重要. 本文介绍了工业过程中的几种不同类型的粉体颗粒荷电行为, 回顾了颗粒的荷电机理与描述颗粒荷电的数学模型. 对于工业过程中颗粒的荷电现象及颗粒在多相流体中的动力学行为, 介绍了研究颗粒受流体影响时荷电特性的数值模拟方法. 本文旨在对粉体颗粒的荷电机理、应用以及研究方法进行梳理与探讨, 为正确认识工业过程中粉体颗粒的荷电现象并加以控制利用提供理论借鉴.     

用ELPI测量颗粒物的分级荷电量

提出了一种利用静电低压撞击器(ELPI)测量颗粒物分级荷电量的新方法,利用此方法可以将每种颗粒在 0．03-10μm范围内按其动力学粒径分为12级,然后可以获得每一级粒径的单个颗粒的平均荷电量。应用此方法首次实际测量了3种飞灰在自然荷电与强制荷电两种工况下的分级荷电量,获得了比较合理的结果,结果显示飞灰主要荷负电,且小于1 μm的飞灰颗粒的荷电量随粒径变化不大,而大于1 μm的颗粒的荷电量随粒径增加迅速增加。     

荷电液滴脉动变形特性的实验研究

为探讨荷电液滴的变形机理,对滴状模式下荷电液滴的脉动变形特征进行了实验研究。综合考虑毛细管经、荷电电压及液滴的物性参数,采用带有显微变焦镜头的高速数码相机对荷电液滴进行了微距拍摄,并结合图像处理技术研究了荷电液滴的脉动变形问题。实验结果表明:随着电压的增加,液滴的最大变形率逐渐增大,但其脉动变形周期却逐步减小。对于导电性液体,电导率对荷电液滴的变形率及脉动周期影响微弱。表面张力与荷电液滴的最大变形率呈反比,与其脉动变形周期呈正比。     

荷电液滴雾化演变过程的可视化研究

基于显微高数数码摄像技术对毛细通道荷电液滴雾化模式的演变过程进行了可视化研究。以不同乳化状态的生物柴油、无水乙醇、去离子水为研究介质,采用带有显微变焦镜头的高速数码相机对荷电液滴雾化的显微形貌进行了微距拍摄,探讨介质电导率、黏度及表面张力等对荷电液滴雾化模式演变的影响规律。实验结果表明:随着电导率的增加,维持滴状模式的荷电电压区间逐渐变窄,脉动模式的电压区间逐渐扩大,而锥射流模式的电压区间逐渐缩短。对于低表面张力的绝缘性液体,黏度的降低可获得亚微米级或纳米级的稳定多股射流喷射羽。而对于低黏度的绝缘性液体,表面张力的增加会导致荷电雾化的雾滴平均粒径偏大且不均匀。     

弹性液滴的复杂界面特性模拟

弹性液滴(弹性膜包裹黏性流体)在流场中的变形、运动等界面动力学特性显著影响液滴内外流体间的物质输运等特性,而液滴界面的弹性、抗弯特性等复杂力学性质是影响其动力学特性的决定因素之一。基于FTM(Front tracking method),建立了弹性液滴在流场中变形运动的三维模型,考虑界面弹性、抗弯特性等复杂力学性质,重点分析了抗弯特性对液滴变形及界面内应力分布的影响。结果表明抗弯特性使液滴变形量降低,减小界面内最大应力和最小应力的值,抑制界面上波浪形褶皱条纹的形成,增强液滴界面稳定性。     

电场强化酯交换过程中醇油两相分散特性研究

电场对相间传质和相分散具有强化作用。为了探究电场强化酯交换反应的作用机理,基于电场作用下碱催化醇油酯交换反应动力学的分析,采用显微高速摄像技术对NaOH作为催化剂的酯交换反应体系中液滴的荷电分散行为及演变过程进行了可视化研究,精确捕捉了不同电场强度下液滴在连续相中荷电破碎的显微形貌特性.结果表明随外加电场强度的增加,液滴在连续相中的荷电破碎速率加快,液滴尺寸显著下降,有利于酯交换反应的强化.     

用密立根油滴仪同时测量粉尘的粒径和荷电量

本文提出用密立根油滴仪同时测量粉尘的粒径和荷电量的方法，并对两种工业粉尘在离子荷电条件下粒径和荷电量的关系进行了测试和研究。将测试结果与荷电理论计算值进行了比较和分析。     

数值模拟磁场作用下气泡在导电流体中运动

在自适应网格上,采用VOF方法捕捉界面,相容守恒格式计算电流及电磁力,发展了金属流体自由界面MHD数值方法。通过数值模拟磁场作用下不同Hartmann数的气泡在导电溶液中的运动和变形,分析磁场对气泡以及流场的影响,同时给出诱导电场和电流的分布。为进一步深入研究冶金及热核聚变相关的金属流体在强磁场作用下的自由界面流打下基础。     

耦合界面力的两相流相场格子Boltzmann模型

提出了一种改进的基于相场理论的两相流格子Boltzmann模型.通过引入一种新的更加简化的外力项分布函数,使得此模型克服了前人工作中界面力尺度与理论分析不一致的问题,并且通过Chapman-Enskog多尺度分析表明,所提出的模型能够准确恢复到追踪界面的Cahn-Hilliard方程和不可压的Navier-Stokes方程,并且宏观速度的计算更为简化.利用所提模型对几个经典两相流问题,包括静态液滴测试、液滴合并问题、亚稳态分解以及瑞利-泰勒不稳定性进行了数值模拟,发现本模型可以获得量级为10^-9极小的虚假速度,并且这些算例获取的数值解与解析解或已有的文献结果相吻合,从而验证了模型的准确性和可行性.最后,利用所发展的两相流格子Boltzmann模型研究了随机扰动的瑞利-泰勒不稳定性问题,并着重分析了雷诺数对流体相界面的影响.发现对于高雷诺数情形,在演化前期,流体界面出现一排“蘑菇”形状,而在演化后期,流体界面呈现十分复杂的混沌拓扑结构.不同于高雷诺数情形,低雷诺数时流体界面变得相对光滑,在演化后期未观察到混沌拓扑结构.     

三相流体的轴对称格子Boltzmann模型及其在Rayleigh-Plateau不稳定性的应用

基于多组分相场理论提出了一类模拟三相流体流动的轴对称格子Boltzmann模型.该模型利用两个粒子分布函数来捕捉三种不同流体之间的相界面,另一个粒子分布函数来求解流体动力学方程以获得流场信息.为了刻画坐标变换引起的轴对称效应,巧妙地设计了演化方程中平衡态分布函数和外力项分布函数,从理论上保证本文模型可以正确恢复三相流体系统的宏观控制方程,并且轴对称效应产生的源项中不包含任何复杂的梯度项,从而比现有的轴对称格子Boltzmann模型更加简单高效.首先通过模拟一系列轴对称多相流的基准算例,包括静态的双液滴、液体透镜的扩展和二元流体Rayleigh-Plateau不稳定性,来验证本文模型的有效性与正确性.接下来,利用该模型研究了三相流体的Rayleigh-Plateau不稳定性的增长过程,定量分析了波数和液柱半径比对复合液体线程破裂过程中界面动力学行为、界面破裂时间以及生成子液滴尺寸的影响.可以发现复合的液体线程在波数较大时破裂生成一个复合主液滴和卫星液滴,而在波数较小时可以生成更多数量的卫星液滴,这导致复合主液滴和卫星液滴的尺寸随着波数的增加呈现先增大而后减少的趋势.另外,我们发现内部流体...     

不同雾化模式下乙醇静电喷雾冷却换热特性

为揭示静电喷雾冷却过程传热强化机制,设计搭建了静电喷雾冷却传热实验台,对比研究了滴状、微滴、锥射流及多股射流模式下的喷雾粒径、喷雾速度等雾化特性,分析了雾化模式及工质流量对冷却换热性能的影响规律。研究结果表明,随着电压逐渐增加,喷雾粒径不断减小、喷雾速度不断增大,且电场力逐渐主导液体破碎及喷雾液滴撞击换热面过程;此外,随着雾化模式由滴状/微滴转变为锥射流/多股射流时,电场力可有效促进单相换热区的喷雾液滴铺展以及抑制过热状态下的液滴反弹,使核态沸腾阶段向更高表面温度方向延伸,喷雾冷却换热能力显著提升。