復(fù)雜通道中油滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與顆粒周圍剪切力場(chǎng)研究.pdf

1、重力式分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定以及維護(hù)費(fèi)用低，是分離器應(yīng)用比較廣泛原因。一般重力式分離器的體積龐大，且效率不高。從其發(fā)展趨勢(shì)來看，通過引入各種聚結(jié)填料和合理設(shè)計(jì)，使分離器向高效性方向發(fā)展。本文采用理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合方式，進(jìn)行了油滴在復(fù)雜通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和顆粒周圍剪切力場(chǎng)研究。 首先，針對(duì)復(fù)雜通道中低雷諾數(shù)油滴運(yùn)動(dòng)時(shí)擾動(dòng)衰減慢特點(diǎn)，應(yīng)用低雷諾數(shù)流理論，對(duì)油滴運(yùn)動(dòng)因受邊界、環(huán)境流動(dòng)影響以及油滴為流體球，進(jìn)行了油滴運(yùn)

2、動(dòng)阻力修正；并建立適用于重力式分離器內(nèi)復(fù)雜通道中油滴的運(yùn)動(dòng)方程和顆粒周圍剪切力場(chǎng)邊界積分方程和油滴剪切控制方程。 其次，應(yīng)用Fluent軟件結(jié)合自編程序UDF，對(duì)水相采用層流模型，油相采用離散相模型，在對(duì)低雷諾數(shù)油滴所受到的阻力進(jìn)行了修正基礎(chǔ)上，進(jìn)行了平板、斜板和波紋折板間油滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果表明： 傳統(tǒng)的無界Stokes擬球形油滴其運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同于油滴在另一種與其互不相容的有限空間液體中的運(yùn)動(dòng)行為，對(duì)于液-液體

3、系，油滴作為流體球，存在減阻正面影響的作用較弱；邊界影響、Poiseuille環(huán)境流作用下的油滴運(yùn)動(dòng)軌跡與無界Stokes油滴相比存在著明顯差別，對(duì)油滴上浮時(shí)間存在延緩效應(yīng)，其邊界的影響作用較大，Poiseuille環(huán)境流作用次之；在協(xié)同作用下，與傳統(tǒng)的Stokes油滴相比較，油滴上浮時(shí)間在平板內(nèi)延緩了17.211％，斜板逆流形式下延緩了18.753％，波紋折板內(nèi)延緩了20.304％。所以，低雷諾數(shù)擾動(dòng)衰減慢作用隨著流道復(fù)雜程度增加其影

4、響更加顯著。 再次，Stokes油滴在平板、斜板、波紋折板間隨著流場(chǎng)流速的增加和油滴粒徑的減小都會(huì)使上浮效率顯著地下降。①平板時(shí)，垂直方向油滴終端上浮速度與流場(chǎng)的速度大小無關(guān)，而與油滴粒徑有關(guān)；水平方向上油滴遷移速度與油滴粒徑無關(guān)，遷移速度同步于板間的Poiseuille流場(chǎng)速度，符合零阻力條件；平板間Stokes油滴獨(dú)立浮升、遷移運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，油滴碰撞對(duì)油滴幾何參數(shù)、初始位置、油滴物性、流場(chǎng)的速度梯度有很大的依賴性，對(duì)此建立了油

5、滴碰撞的數(shù)學(xué)模型，為油滴間的碰撞提供判斷依據(jù)，來彌補(bǔ)迄今為止幾乎沒有可用數(shù)據(jù)來比較油滴碰撞條件的關(guān)系式，其計(jì)算結(jié)果與Matlab數(shù)值計(jì)算及Fluent軟件模擬計(jì)算結(jié)果相吻合。②斜板時(shí)，在錯(cuò)流、并流和逆流的三種流動(dòng)形式中，Stokes油滴垂直于板方向的上浮速度相同，與流動(dòng)形式無關(guān)；如受低雷諾數(shù)協(xié)同作用，油滴的上浮速度則不同，與流動(dòng)形式有關(guān)；油滴在板長(zhǎng)方向上遷移速度的影響關(guān)系不同于水平平板，與粒徑大小有關(guān)，不再耦合于板間的Poiseuill

6、e流場(chǎng)速度，存在運(yùn)動(dòng)阻力；斜板逆流形式下，油滴粒徑越大，其遷移速度則小，而并流形式下，油滴粒徑越大，其遷移速度則大；油滴運(yùn)動(dòng)位移、浮升時(shí)間隨斜板傾角α增大而增長(zhǎng)，在層膜能上浮條件，應(yīng)盡可能減小斜板傾角α；逆流時(shí)油滴上浮到上板所需要板長(zhǎng)比并流、錯(cuò)流時(shí)較短，所以采用逆流形式比錯(cuò)流、并流有優(yōu)勢(shì)。③與平板相比波紋折板間油滴浮升時(shí)間、水平位移更短些，作為聚結(jié)填料比平板存在著很大優(yōu)勢(shì)；但波紋折板折角、流場(chǎng)速度較大時(shí)，流場(chǎng)易湍急、不穩(wěn)定，對(duì)油滴運(yùn)動(dòng)的

7、影響關(guān)系變得復(fù)雜，對(duì)油滴存在旋卷現(xiàn)象，其軌跡線隨旋渦上下波動(dòng)、轉(zhuǎn)圈，不能“自拔”，甚至產(chǎn)生倒流，所以，在應(yīng)用波紋折板時(shí)一定兼顧流場(chǎng)速度、折板折角方能發(fā)揮其良好作用。采用多相相混合模型，對(duì)引入平板、波紋折板二種聚結(jié)填料的油水分離器內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，通過對(duì)速度場(chǎng)、聚結(jié)填料對(duì)稱面及前后濃度的等高線分析，驗(yàn)證了波紋折板聚結(jié)填料比平板具有較好的油水分離特性。 最后，通過量綱分析指出，影響油滴變形的無量綱數(shù)很多，理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)油滴

8、變形破碎很難進(jìn)行定量描述，采用VOF進(jìn)行了油滴在剪切場(chǎng)中變形的二維數(shù)值模擬分析：油滴的粘度、表面張力對(duì)變形起到抑制作用，油滴粒徑越大，越易變形、破碎。流場(chǎng)速度梯度越大，油滴就易變形破碎；所以，通過引入聚結(jié)填料，在提高工作效率同時(shí)，實(shí)際上增加了分散相油滴在剪力作用下會(huì)發(fā)生變形、破碎的風(fēng)險(xiǎn)。而油滴與流場(chǎng)間相對(duì)速度較大時(shí)，會(huì)加劇油水乳化。所以，對(duì)于旋流器，必然存在油水進(jìn)一步乳化現(xiàn)象。 本文研究工作己取得階段性進(jìn)展，但由于研究過程中對(duì)實(shí)