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液-液两相介质中液滴在瞬时来流作用的演变过程研究

熊燃华  
【摘要】: 液滴变形破碎的过程是油水界面受扰动失稳演变的过程,研究液滴的破碎对研究油滴的形成过程有很重要意义。此外,液滴的破碎过程也广泛存在于化工、环保等领域,如液液萃取、多相反应、悬浮聚合及乳状液的制备等化工过程,这些过程的过程速率取决于二相间的相际面积,研究液滴破碎对于增加相机面积加快反应速率、提高效率无疑具有促进作用。 本文较系统研究了液-液两相体系在瞬时来流作用的变形破碎的演变现象,在实验中得到了五种演变模式,重点研究了这几种模式演变的内在机制及影响因素,并进行了实验和数值计算结果的比较,主要内容如下: 1、实验研究中,自行研制了一种用于研究冲击作用下,液-液两相体系中液滴变形及其破碎现象的坠落实验装置,并通过在油为连续相环境中生成球形液滴,对液滴在冲击作用下的演变过程进行了实验研究;数值计算方面,在数值求解两相混合的质量和动量守恒方程基础上、运用VOF(volume of fluid )模型求解每个网格单元的体积分数离散方程、然后用界面重构技术追踪液滴与环境流体界面,从而模拟了液滴整个演变过程。 2、实验结果表明,坠落实验装置在液-液两相介质中液滴变形破碎机理问题研究中展示出其特有的优势和潜力;通过高速摄影所记录的液滴演变过程,总结出本实验条件下四种较为典型的演变模式,根据其演变特征分别称之为振荡、袋状、帽状、竹节状和蘑菇状模式.这些模式所伴随的变形、破碎等过程具有不同的特点,其中有些模式在已有的公开文献中尚未见到相关报道通过;同时,对实验现象进行了合理的推测解析其演变机理。数值计算结果虽然在后期破碎过程与实验结果有所区别,但也反映出这几种模式的演变特点;根据数值得到的流场结构,分析了实验推理的液滴演变机理的合理性,而且进一步深化了液滴演变机理解释 3、实验中针对几个重要参数,如冲击强度、液滴直径、相界面张力、液滴及外环境油相密度等开展了一定的研究.分析了冲击强度、液滴直径、相界面张力、液滴及外环境油相密度五个参数对液滴演变的影响.同时通过数值计算的结果具体分析了这几个物理参量主要影响作用阶段。 4、根据实验与数值计算的结果,归纳以上几个物理参量对液滴演变的影响,得出无量纲参数We,以衡量演变过程中惯性力促进液滴变形破碎与相界面张力阻碍液滴变形破碎的作用;通过由We-A图归纳了液滴不同模式之间转变关系。


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