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静电场作用下液滴聚并特性的分子动力学研究

静电场作用下液滴聚并特性的分子动力学研究

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作者：范玉玲中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

在静电聚并过程中,液滴的极化变形和聚并是最基本的物理过程,涉及多个学科。目前,实验和宏观模拟研究难以从分子层面揭示液滴中粒子间复杂的相互作用,静电聚结机理尚未得到深刻揭示。本文通过GROMACS软件,对微纳液滴静电聚并过程进行模... 详细信息

在静电聚并过程中,液滴的极化变形和聚并是最基本的物理过程,涉及多个学科。目前,实验和宏观模拟研究难以从分子层面揭示液滴中粒子间复杂的相互作用,静电聚结机理尚未得到深刻揭示。本文通过GROMACS软件,对微纳液滴静电聚并过程进行模拟,得到系统内微观粒子的运动轨迹,并分析粒子间相互作用,从微观角度分析微纳液滴在电场作用下的聚并特性以及影响规律,为静电聚并机理的深入研究提供理论依据。一方面,本文运用分子动力学方法建立单液滴极化变形模型,对单液滴的极化变形、破碎行为及判据进行研究。通过改变电场强度、液滴粒径及无机盐等参数,研究液滴变形度的变化趋势,得到液滴破碎的临界电场参数变化规律。结果表明:分子间弱相互作用中的强吸引作用对液滴破碎影响最为显著;含盐液滴中离子影响液滴变形、破碎行为受离子对效应及离子水化作用影响较大。液滴破碎的临界电场强度在一定范围内随液滴半径的增加和离子浓度的增加而单调减小;在低电场下,液滴变形度随电场强度和液滴半径的增大而增大;在高电场下,液滴出现了不同的破碎模式,包括一端破碎、两端破碎和中心破碎。液滴半径为3nm,电场强度为1.0 V?nm条件下,当液滴浓度为0.675mol?L时,破碎时间最短,是因为此时液滴中自由离子数目最多,当离子浓度继续升高时,离子对数目增加而引起自由离子减少,从而增加液滴破碎时间。另一方面,本文利用分子动力学方法建立双液滴聚结模型,研究了双液滴聚结行为和聚结判据。改变电场强度、液滴尺寸、液滴间距以及离子浓度等参数,通过观察粒子运动轨迹,分析粒子间相互作用以及电荷分布等得到液滴的聚并机理,总结最优参数。结果表明:液滴聚并的直接动力是外加电场,增大电场强度能够促进液滴的聚并效率;离子的存在对液滴静电聚并起到促进作用的原因是在电场作用下,吸附层离子带动扩散层离子运动,加强了液滴极化;适当增加电场强度和无机盐浓度、减小液滴夹角可以提高液滴聚并效率,液滴中心距的选取需参考液滴中心距比。当液滴半径为2.0nm,选择电场强度为0.50 V?nm,液滴夹角为0°,液滴中心距为8nm以及1.25 mol?L的氯化钠浓度时,两液滴聚并时间最短。

关键词：微纳液滴极化变形静电聚并分子动力学

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圆柱绕流-电场联合作用下油水乳化液液滴聚并特性研究

圆柱绕流-电场联合作用下油水乳化液液滴聚并特性研究

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作者：谭更彬青岛科技大学

学位级别：硕士

油包水(W/O)型乳化液中的小粒径水滴会极大阻碍油水分离,影响油品品质。施加电场是常用的脱除小粒径水滴的方法,单一的电脱水技术无法高效、稳定地实现油水分离,多采用化学破乳剂和电脱水联合的方式为主,其他物理场为辅的联合脱水技术... 详细信息

油包水(W/O)型乳化液中的小粒径水滴会极大阻碍油水分离,影响油品品质。施加电场是常用的脱除小粒径水滴的方法,单一的电脱水技术无法高效、稳定地实现油水分离,多采用化学破乳剂和电脱水联合的方式为主,其他物理场为辅的联合脱水技术。在直流静电场处理的乳化液流动中加入圆柱绕流可以在尾流区产生卡门涡街从而对两相流产生剪切力,使分散相水滴变形、碰撞、聚并效率增大。通过研究不同影响因素下分散相聚并效率,为提高油水乳化液脱水效率提供新思路与理论支撑。利用CFD软件对乳化液在圆柱绕流场以及圆柱绕流与直流静电场联合作用的过程进行了模拟。分别采用两相流水平集模型与混合物相传递模型,对圆柱特征长度、来流速度、电场强度、水相初始体积分数等影响因素进行了对比分析。(1)建立了W/O型乳化液在圆柱绕流场中的两相流水平集模型。通过分析圆柱直径、流体流速、电场强度变化而引起的流体体积分数变化,研究了绕流场对水滴变形、聚并的作用。结果表明:在该模型下圆柱直径D=0.1m、0.075m、0.05m的变化中,D=0.075m直径圆柱所造成的漩涡脱落现象最均匀,并且柱后漩涡存在时间最长,漩涡速度、压力均适用于液滴聚并。通过对出口处最大体积分数、分析区液滴数量、分析区液滴平均粒径、可识别液滴占分析区比例等参数的分析,结果表明D=0.075m下液滴聚并效果最好,0.5-1.5m/s流速范围内可识别液滴占分析区比例超过6%,分散相聚并效果较好,1m/s下工况最理想,达到了7%。在1m/s速度下施加七种电场强度,分析了绕流场与电场联合作用下分散相聚并效果,结果表明:6、7k V/cm对液滴聚并效果较好,其中6k V/cm下占比最高,达到了8%。对比自然流动、静电流动、圆柱绕流、绕流静电联合场四种物理场下的最优工况,得到圆柱绕流场较自然流动的水相聚并效果提升4.7倍,较静电流动提升2.4倍,联合场较自然流动提升6.1倍,较静电流动效果提升2.7倍。总体而言,聚并效率从大到小的顺序为:联合场>圆柱绕流场>静电流动>自然流动。(2)建立了混合物相传递模型,对不同流速下、不同场强、不同分散相初始体积分数的情况进行了研究。结果表明:对于混合物物理模型,速度大于0.75m/s,漩涡脱落逐渐明显。流速在0.75-3.0m/s内增加,聚并效果呈先上升后下降趋势,在2.0m/s下聚并效果最好。将水滴粒径分布为五种大小,分别为d=12.5微米、d=25微米、d=50微米、d=100微米、d=200微米,中位粒径为d=50微米。工况1分散相体积分数为0.05,将d与d直径的水滴数量占比设为80%与20%,其余粒径数量为0,即d水滴体积分数s=0.0167,d水滴体积分数s=0.033。工况1下s在0.75-2.0m/s过程中分散相占比由33%降低至9%,说明圆柱绕流对d直径水滴进行了充分聚并。工况2将s设为0.05,2.0m/s时大水滴占比为46%,小于工况1的50%,说明对于乳化更严重的乳化液,圆柱绕流过程仍然可以促进水滴聚并,但是效率会下降。工况3将s设为0.05,0.75-2.0m/s过程中d、d直径水滴占比下降28%、22%,说明对于大水滴占比较高的乳化液,绕流模型对大水滴的稳定效果不好。工况4分散相占比由0.05增加至0.1,聚并效率总体上升5%,说明随着分散相占比的增加,会提高分散相聚并效率,说明了模型对水滴聚并的稳定性。施加直流静电场,在1.5m/s下对场强0-9k V/cm的变化过程进行研究,说明在6k V/cm下聚并效果最好。工况5为分散相占0.05,s=0.0167,s=0.033,施加电场,此时d直径水滴在工况1下占比为6%,工况5下为17.9%,说明静电场对于大直径水滴的聚并有促进作用并且能够使大水滴保持稳定。工况6将s设为0.05,0k V/cm与6k V/cm大水滴占比差距约为18.9%,工况5下该数据为23.2%,说明电场对于促进d聚并为d的过程并不明显。工况7将s设为0.05,最终s达到53%,远高于未施加电场的12%,说明直流静电场可以保持大水滴的稳定,场强大于7k V/cm以上时,大水滴会出现发散,使d及以下直径水滴增多。工况8增加分散相占比至0.1,联合场的聚并效率达到了75%,比圆柱绕流场的聚并效率高了28%,说明了联合场的稳定有效性。综合对比,在分散相体积分数为0.05、流速1.5m/s、场强6k V/cm下,自然流动、静电流动、圆柱绕流、绕流电场联合四种情况下对大水滴聚并效率为9%、15%、46%、69%。相较于自然流动,圆柱绕流场聚并效率提升5倍,联合场聚并效率提升7.7倍。联合场聚并效率较静电流动提升4.6倍,较圆柱绕流提升1.5倍。(3)水平集方法与混合物模型均证明了圆柱绕流对于促进水滴的聚并有显著效果,直流静电场对于维持大水滴的稳定有显著效果。若

关键词：圆柱绕流静电聚并水平集方法混合物模型液滴碰撞

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含离子液滴在电场作用下聚并与断裂的特性研究

含离子液滴在电场作用下聚并与断裂的特性研究

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作者：牛虎东北电力大学

学位级别：硕士

目前,随着世界上许多油田逐渐进入高含水期,其产出原油的含水量逐年升高。当原油的含水量过高时,则在其开采后的运输、储存、再加工等过程中会出现设备腐蚀、相关设备的工作效率降低及使用寿命减少的现象。静电破乳是指在油水混合液形... 详细信息

目前,随着世界上许多油田逐渐进入高含水期,其产出原油的含水量逐年升高。当原油的含水量过高时,则在其开采后的运输、储存、再加工等过程中会出现设备腐蚀、相关设备的工作效率降低及使用寿命减少的现象。静电破乳是指在油水混合液形成的乳状液外附加电场,使得含离子水滴在电场作用下发生运动、聚集,从而达到油水分离的技术。日前,静电破乳技术中电场的形式、强度以及水滴中离子等影响液滴聚并的微观机理还不十分明确。本文采用分子动力学模拟方法,从微观角度研究液滴在电场作用下聚并及断裂分离的动态过程,探讨液滴大小、电场强度及电场类型等对聚并过程的影响规律。主要研究内容如下:首先,研究在直流电场作用下液滴的聚并与断裂特性。在直流电场作用下,两液滴聚并的临界电场强度为0.52V/nm,临界锥角为42°;当电场强度低于临界电场强度时,液滴聚并、相互结合成一个大液滴,而当电场强度大于临界电场强度时,液滴接触聚并后发生部分或完全断裂。通过研究发现,当外加电场强度在0.53～0.80V/nm之间时,由于正负离子在连接液桥中的转移与中和,使得液滴出现部分断裂现象;当电场强度大于0.80V/nm时,电场力起主导作用,使液滴发生完全断裂现象。其次,研究在交变电场作用下液滴聚并与断裂特性。在交变电场作用下,随着电场频率的升高,含离子液滴的临界电场强度增大,对应的液滴接触所需时间减少;在电场强度为0.60～0.80V/nm时,随电场频率的升高液滴形状（L/H）变化逐渐变小。在电场频率为1.25GHz且电场强度为0.50V/nm时,两液滴接触后聚并融合效果最好,此时shrinkage函数值达到0.97;在电场频率为10.0GHz且电场强度在0.60～0.77V/nm之间时,液滴聚并后大液滴形状发生明显的振荡,其中当电场强度为0.77V/nm时振荡幅度最大。最后,研究了液滴大小对含离子液滴在直流电场下聚并及断裂过程的影响,结果表明:在直流电场的作用下,随着右端液滴的直径变大,临界电场强度逐渐降低;电场强度同为临界电场强度时,右端液滴的质心速度也随着其直径的增大而增加;并且当电场强度在0.80～1.5 V/nm之间时,随着右端液滴直径的减小,其的变形度L/H增大。液滴聚并过程中液桥可以形成并且稳定存在需要三个条件:液滴完成离子交换达到电荷平衡（甚至通过右端液滴发生部分断裂来实现）;两液滴直径大小相差足够大;电场强度较小。

关键词：静电聚并分子动力学液滴电场液桥

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