电场作用下分散相液滴行为规律研究

作     者：梁猛 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王奎升

授予年度：2014年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：相场方法 液滴 匀强电场 交流电场 数值模拟 

摘      要：在油田生产过程中,原油破乳是一个极其重要的环节。在众多破乳方法中,电破乳技术是通过外加电场促使原油乳状液中的小液滴聚结成为大液滴,从而实现沉降分离的方法。由于电破乳过程中的复杂性,相关研究大多只停留在宏观机理的研究层面上,长时间以来未能从微观角度系统的研究液滴行为规律。所以,本文基于Cahn-Hilliard方程的相场方法,通过流场和电场的耦合,建立了电场作用下的分散相液滴行为模型,从微观角度研究液滴变形、破裂和聚结行为。 建立了匀强电场作用下的分散相液滴变形、破裂和聚结行为模型,从微观角度研究了液滴变形和聚结过程中电场强度、电荷密度、电场力和流场的分布规律,探讨了液滴变形、破裂和聚结原理。研究了影响液滴变形和聚结的众多因素,模拟结果表明,在匀强电场作用下,增大电场强度、液滴直径和初始表面电荷密度,降低连续相粘度和界面张力可增大液滴变形度。与此同时,适当增大电场强度、液滴初速度、初始表面电荷密度、界面张力和液滴直径,减小连续相粘度和液滴相对初始间距,均可降低液滴聚结时间。 建立了匀强电场作用下的带电液滴变形和聚结模型。研究表明,受初始表面电荷密度的作用,带电液滴除了发生变形外,还会出现明显的电泳现象。与匀强电场作用下,中性液滴间聚结过程中双液滴等速靠近聚结的运动情况不同,中性液滴与带电液滴聚结时,带电液滴运动速度明显大于中性液滴。并且初始表面电荷密度越大,带电液滴与中性液滴的速度差就越大,其运动不等速现象的特点越明显。 分析了交流电场作用下的分散相液滴变形和聚结原理。与匀强电场作用下的液滴发生变形情况不同,受交流电场的作用,液滴发生周期性振荡变形,并且液滴振荡频率恰好是交流电场变化频率的2倍。同时研究了影响液滴周期性振荡变形的众多因素,模拟结果表明,在交流电场作用下,增大电场强度和液滴直径,降低电场频率、连续相粘度和界面张力,均可增大液滴变形度和变形振荡幅度。在交流电场作用下,电场频率对液滴聚结时间的影响效果最重要。在其他影响因素不变的情况下,降低交流电场频率,液滴的变形度和变形振荡幅度明显增大,可增大液滴聚结速度,降低液滴聚结时间。 本文从微观角度研究了电场作用下的分散相液滴行为规律,取得了一些初步研究成果,为电破乳技术的推广应用提供了理论依据。