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气溶胶微粒电动悬浮振荡特性研究

冯昭华  
【摘要】:撞击振荡流技术作为强化传递过程的有效手段,在化学工程的诸多领域具有广阔的应用前景。但目前的研究仅集中在两相流颗粒群或宏观的气雾体系,对单个颗粒或液滴振荡条件下表面传递现象的直接考察尚处于起步之中。这是目前微化工领域的重要研究课题,对其进行研究一方面有赖于理论的发展,同时更依赖于可靠的实验检测,其关键在于实现对单个微粒的可控悬置及对其传递过程的在线跟踪与实时检测。 基于撞击振荡流超重力效应在传递过程中的应用,本研究突破现有电动悬浮天平静止悬浮技术的限制,提出电动超重力场中微米单液滴振荡流中表面传递现象的实验检测方法。采用八极双环电动悬浮天平,将十二烷醇气溶胶单液滴悬置在N2流中并严格限制在轴向上振荡,采用高速线扫描技术在线跟踪、记录了液滴的振荡轨迹,并利用光散射技术对振荡流液滴表面传质进行了实验观测,检测精度可达10-7mg质量级,成为微尺度条件下瞬态传质现象实验研究的一个有力工具。 本文进一步突破了电动悬浮天平的静置悬浮理论,即Davis颗粒稳定性两区理论的限制,并根据实验事实指出,颗粒在EDB中不只存在静止和飞失两种状态,理论上还存在振荡甚至是大幅稳定振荡状态。此时颗粒运动雷诺数增加了一个多数量级,已超出Stokes运动范围,Davis两区理论已不适用。本文对微米级单液滴在电动悬浮天平中的振荡特性进行了深入的理论研究,指出: ⑴ 基于Oseen曳力公式的振荡条件下颗粒完整的运动微分方程,能够描述颗粒在外加电场激励下的稳定受迫阻尼振荡。颗粒物性和操作电参数对颗粒振荡运动有很大的影响。通常,颗粒的稳定性随交流电压Vac和运动方程中非齐次项|D|的升高而降低,而随交流频率fac的升高得到增强。运动微分方程中的非齐 WP=7 次项作为引发颗粒振荡的内在因素,可以作为实验设计的理论依据之一。 ⑵ 从振荡条件下颗粒完整的运动微分方程数值模拟的结果,得出了颗粒轨迹曲线,首次从理论上预测到颗粒在电动悬浮天平中存在静置、小幅稳定阻尼振荡、大幅稳定阻尼振荡和振荡发散四种运动模式,并且获得与实验观测结果满意的吻合精度。 ⑶ 通过模拟颗粒轨迹,给出了不同于Davis两区理论的三区状态图及具体的操作参数范围。首次从理论上证实了颗粒在电动悬浮天平中的状态除了静止悬浮和振荡飞失之外,还存在一个过渡区,此时颗粒虽然越过了Davis理论定义的弹跳点,但仍能保持稳定的阻尼振荡,而非Davis理论所预测的飞失状态。通过实验研究,也验证了颗粒振荡三区理论的可靠性和准确性。 ⑷ 数值模拟和频谱分析可知,两种振荡模式的运动学特性存在较大差异。对于小幅稳定阻尼振荡,轨迹形状与余弦波形十分相近,振荡频率与交流驱动频率fac相同,但振幅、速度和加速度通常较小,颗粒运动基本处在Stokes区域,此时无论是Stokes公式还是Oseen公式都能准确地描述颗粒受到的粘性曳力。对于大幅稳定阻尼振荡,轨迹形状上呈“锯齿”,振荡频率降低成fac/2,而振幅、速度和加速度都增大了很多,颗粒振荡处于超重力场下且变成了Non-Stokes运动,此时Stokes曳力公式不再适用,而Oseen公式仍能准确地描述粘性阻力。 ⑸ 颗粒受到的各项分力对整个振荡起着不同的作用和贡献。作为时均力,直流电场力、液滴重力和气相浮力对振荡的影响是恒定的但不是主要因素。交流电场力作为液滴振荡最主要的驱动力,对整个振荡过程影响很大,液滴振荡特性直接受其周期性变化控制。对于不同模式的振荡过程,虽然液滴受到的粘性曳力的大小不一样,但是对振荡过程都能产生相当大的阻碍作用。 通过本文研究,建立了振荡条件下颗粒完整的运动微分方程,掌握了颗粒的振荡运动学特性及其规律,特别给出了预测颗粒运动形态的三区状态图及其具体的操作参数范围,从而构建了振荡条件下颗粒电动悬浮天平实验研究的运动学基础,对于指导电动悬浮天平实际操作和深入开展微尺度条件下瞬态传递现象等微化工研究都具有重大意义。


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