油水乳化液中分散相液滴的力学行为初探——剪切流对油水乳状液分散相液滴集聚的影响

油水分离机械中油水乳状液分散相液滴的力学行为直接影响到分离机械的分离效率。笔者通过在旋转剪切场中油水乳化液稳定特性的实验研究，对剪切对油水分离效率影响进行了初步探索。实验发现不同剪切强度对乳化液分离效率会产生正面或负面的影响。通过分散相液滴界面膜的受力及其在剪力作用下的变形分析，初步解释了剪切场和交变剪切场中乳化液分散相液滴的运动聚集规律，提出可以由其分散相液滴变形的长短径比的特定取值来判断相应的剪切强度对其沉降分离特性的影响。     

剪切流场中分散相液滴行为研究

目前乳化液破乳机理研究领域对剪切流场作用下分散相液滴行为的研究仍存在一些需要解答的问题.通过设计内外筒反向旋转剪切实验装置,结合数字图像处理技术,从实验角度进行了系统研究.实验数据显示液滴在剪切流场中发生三维力学变形,通过提出液滴形变非仿射度和综合变形度的概念,对液滴变形规律及其机理进行了相应的实验及理论探讨.同时,通过新颖可靠的测量方法,探索了液滴变形过程中内外流场压差的变化规律,数据显示液滴内外压差变化显著,且影响液滴形态.此外,还对剪切流场中液滴的变形过程进行了数值模拟,结果与实验及理论符合较好.提出了一套系统的液滴模型描述方法,为今后精确液滴变形形态数学模型的建立打下基础.     

剪切流场中液滴形变的三维力学模型初探

分析了油水乳化液中分散相液滴的受力及形变,从理论上提出了剪切流场中液滴形变的三维力学模型.通过实验观测了液滴在由两个同心圆筒形成的旋转剪切流场中的变形情况,并对建立的三维力学模型进行了验证.测量结果表明:实验观测值和理论值有较好的一致性.未加乳化剂时,在z方向上,随着液滴拉伸率的增加,液滴的变形收缩系数也随之增加;与未加乳化剂时相比,加入乳化剂时液滴的变形收缩系数偏离理论值更大;对于有表面活性剂的自由液滴来说,液滴破裂所需要的临界剪切率比没有表面活性剂时要低.     

电场破乳分散相液滴行为研究

旨在为研究高效的复杂乳化液的处理技术提供理论基础,从微观角度研究电破乳机理,设计构建了适合本研究特点的电破乳分散相液滴行为观察系统,针对高压静电场中液滴的变形、破裂、碰撞、聚合及运动等行为进行了细致的实验研究,获取了大量液滴行为的珍贵图像资料,通过数据及理论分析探讨了影响液滴行为的主要因素,并从工业应用角度分析了其对电脱水工艺的影响,同时从乳化液系统的力学特性人手,通过受力分析初步建立了液滴形态的数学模型,并尝试进行了简单的数值求解.     

剪切气流驱动液滴运动的受力分析

实验研究了剪切流驱动的液滴在固体表面上起始运动的受力机理.工作中使用一系列液体和固体表面来获得不同的液滴接触角,并在小型风洞中进行实验.实验中对液滴的启动气流速度进行了测量,并综合各种起始时刻的参数信息,建立了一个关于液滴接触线表面张力和剪切气流拖拽力平衡的数学模型,揭示了液滴脱落时刻的受力情况.所建立的模型更适合液滴1变形情况,但对于其它类似情况的剪切气流驱动液滴运动也能够进行合理的描述.     

基于飞秒激光电子激发标记测速技术的剪切流场速度测量

流场速度测量精度会影响飞行器气动性能的预测精度，常用的基于激光技术的非接触式速度测量方法已不能完全满足流场速度高精度测量需求，飞秒激光电子激发标记（Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging，FLEET）测速技术有望解决这一问题。利用钛蓝宝石飞秒激光器搭建了FLEET测速系统，分析了流场中的N₂分子在飞秒激光激发下的电子荧光光谱；基于FLEET测速系统，在射流剪切装置上开展了剪切流场速度测量实验，通过调节高速通道的流量/压力获得了不同速度分布的流场，开展了不同流场速度（30～170 m/s）下的FLEET测速实验；研究了延迟时间对流场速度测量的影响。结果表明:随着延迟时间增加，荧光图像会由于等离子体的扩散而发生弥散；FLEET荧光信号衰减会使信噪比有所降低，但不同延迟时间下得到的流场速度分布形态基本一致；FLEET技术在有效荧光寿命范围内具有足够的准确性应用于剪切流场速度测量。     

应用PIVT技术测量单液滴热毛细迁移时的速度场和温度场

在地面实验中,使用粒子图像测速测温(Particle Image Velocimetry and Thermometry, PIVT)技术测量了单滴热毛细迁移时液滴周围同时刻的速度场和温度场.选用密度相近的豆油和硅油作为实验系统的母液和液滴.实验结果表明单滴周围的温度场扰动不同于线性理论预测的随到液滴距离的平方成反比,而是距离一次方成反比,这是由于重力引起的浮力效应造成的,地面实验中重力作用不能忽略.     

旋流作用下突扩燃烧室内冷态流场的 PIV 分析

旋流作用下突扩燃烧室内流场特性的研究对保证燃烧室的正常工作具有重要的意义。利用PIV技术对燃烧室内冷态流场的结构进行了实验诊断与分析,获得了不同实验条件下燃烧室内的速度场、回流区分布和流场内涡的变化规律。研究表明,当入口空气压力变化时,燃烧室内冷态流场可以保持稳定结构,均包含角回流区、中心回流区及剪切层结构。沿燃烧室轴向方向,中心回流区的宽度先增大再减小。随着入口压力的提高,燃烧室内冷态流场的回流区宽度及回流区长度缩短,最大回流速度增大,回流区中心位置向入口移动。同时,在燃烧室冷态流场中会出现由旋流作用引发的涡旋进动现象。     

微凹槽内液滴流场特性的Micro-PIV实验研究

液滴已成为微流控技术的重要研究内容。为了精确调控液滴内的微环境，利用微通道矩形长凹槽生成并封裹液滴，并开展了液滴内部流场特性的显微粒子图像测速（Micro-PIV）实验，研究了雷诺数（Re）对液滴形貌、流场速度矢量场特性和剪应力分布的影响。结果表明，当Re=11.1时，液滴内部出现了一个涡胞结构；当Re=33.3时，液滴中心处的流速达到最大值，约为10 μm/s。然而，当Re=44.4时，涡胞消失，平均流速降低。同时，液滴尺寸随Re增加而减小。此外，Re对液滴内部剪应力变化无明显影响，剪应力平均值极低（< 1.5×10-4Pa）。     

液滴接触变形对融合过程影响的实验研究

采用一种产生大尺寸液滴和顶视视角观测的新方法，借助高速阴影系统，捕捉到液滴融合过程中液桥截面形态的变化。从光学观测的角度验证了以前电测法所得到的初期融合过程描述。利用顶视方法所特有的辨别液桥几何形状、中心位置等优势，观测了不同液滴靠近速度（v_a）下2种融合模式。根据液桥中心演变特征分别判定为中心融合和边缘融合模式，并发现两者之间存在一临界液滴靠近速度（v_cross），当v_a < v_cross时，融合过程始于接触中心，而当v_a >v_cross时，融合自液滴挤压形成的液膜边缘开始，与融合前液滴接触变形密切相关。     

PIV技术在近水平油水两相流研究中的应用

自行研制了用于油水两相流研究的PIV(粒子图像速度仪)实验系统.该实验平台主要用于研究近水平油井测量仪器内的油水两相管流.分别对水平油水两相流中的分层流和分散流的速度场进行了测量.油水两相流流动速度分布与单相流有着明显不同的特征.油水分层流情况下油相和水相之间存在比较显著的速度滑移.而在水包油分散流的情况下,由于油滴平均直径在径向上的不对称分布,以及小油滴具有更好的跟随性等原因,油滴的轴向速度也呈现不对称性.PIV技术在油水两相流研究中展示出良好的应用潜力.     

环形水射流流场的实验研究与统计分析

在11、12和15MPa射流压力下对环形自由水射流流场进行实验研究,以获得该射流场的能量特征与液滴尺寸分布规律.运用相位多普勒粒子测速(PDPA)技术对射流流场中的速度分布和液滴粒径分布进行测量,并对通过不同位置控制体的单个液滴行为进行了统计分析.研究表明:环形射流流束中心存在着较宽的高速区域,且射流能量沿着射流方向衰减缓慢;距离喷嘴的轴向距离越大,射流横断面上的速度与液滴粒径分布越平坦;射流压力对流束中心的轴向速度变化影响较大,对液滴粒径分布的影响不明显;射流流束中心区的湍流脉动较弱,但通过位于射流中心位置的控制体的液滴粒径谱较宽.     

双频光栅剪切干涉仪及其在流动显示中的应用

一种可用于风洞流场显示的双频光栅剪切干涉仪,它是在普通光栅干涉仪的基础上发展起来的一种用于光学检验和测量的干涉装置,其结构简单,容易调整,风洞流场显示中使用的各种纹影仪均可方便地进行改装。这种干涉仪的关键部件是一块带有两个不同空间频率的全息光栅,该光栅可以在普通光学实验室制作而无需任何精密的光学或机械加工,因此,与共它干涉仪相比,双频光栅剪切干涉仪更为经济实用。它的制作方法和剪切干涉原理,以及使用过程中发生的像畸变修正方法都作了介绍,并给出了在激波风洞流场显示中的初步实验结果。     

微通道中液滴和粒子的运动特性研究

微流控技术的快速发展反映了新型检测器件对微型化和集成化的要求，以及当前科学研究和工程应用逐步向多学科交叉领域过渡的趋势。其中，液滴和粒子是微流控技术中两种重要的操控对象。液滴和粒子的微尺度流动通常处于层流范围，然而尺度效应和界面效应将非线性因素引入流动，且受到通道结构、流动条件等多个控制参数的耦合影响，使得微尺度系统表现出多种复杂的流动现象。因此，从流体动力学的机理研究出发揭示微尺度流动的物理机制至关重要。本文综述了课题组近年来关于微通道中液滴和粒子运动的研究，分析了液滴/粒子特征参数的变化规律，界定了不同流动模式的分布状况及临界条件，明确了主导流动的关键参数并建立了相应的受力模型，以期探寻不同行为的操控方法。本文工作可为微尺度下复杂流动理论体系的完善及相关工程应用提供参考。     

微尺度聚合物熔体的非等温平板收缩流动数值仿真

聚合物流体的收缩流动行为是微注射成型工艺过程中影响分子取向与结构的重要因素。本文采用基于有限元求解法的通用CFD软件Fidap，结合适当的边界条件，实现了微尺度条件下聚合物熔体的4：1非等温平板收缩流动的数值模拟，所用流体粘度模型为Carrcau方程，有限元单元为4节点四边形网格。结果表明，流体下游速度明显高于上游速度，速度梯度在收缩人口处明显增大，下游压力梯度大于上游压力梯度，且最大剪切速率出现在收缩人口拐点处。将仿真结果同相关文献的结果相比较发现，仿真所得聚合物流体在收缩流动过程的速度、压力及剪切速率分布规律与其在宏观尺度下的结果具有定性一致性，而温度分布则存在一定偏差。因此，宏观收缩流动仿真研究中的控制方程及本构方程仍适用于微尺度条件下流体的等温收缩流动仿真研究，对非等温微流体收缩流动行为的研究则要对能量方程做进一步修正。     

燃料液滴在超临界环境中蒸发和燃烧的研究进展

随着高超声速飞行器的发展，未来高性能动力装置的燃烧室温度和压力将越来越高，当燃烧环境达到超临界时，液态燃料的蒸发和燃烧过程将涉及高梯度传热传质和临界相变等复杂因素，使得雾化、蒸发和燃烧规律发生改变。本文对燃料液滴在超临界环境中蒸发和燃烧的相关研究进行了综述，总结了已有的重要研究成果，阐述了研究中急需解决的关键问题，为后续深入研究提供参考。     

液滴碰撞超声振动曲面的实验研究

通过实验研究了超声振动曲面上液滴碰撞的动力学行为。对边缘飞溅、表面飞溅以及毛细波、空化和子液滴回弹等复杂物理现象的产生机理和条件进行了分析，得到了超声振动曲面上发生边缘飞溅的临界曲线，并发现由于气动力的作用，超声振动曲面上发生边缘飞溅的临界超声振幅要小于平面情况。利用图像处理技术得到了不同条件下超声振动曲面对碰撞液滴的驱离效率以及飞溅液滴的尺寸分布。实验结果表明:碰撞液滴的驱离效率随振动曲面超声振幅的增大而增大，且呈线性增长；在高速碰撞中，碰撞速度几乎不影响超声振动曲面的液滴驱离效率；随着超声振幅的增加，飞溅液滴的平均尺寸增加。通过常温液滴与过冷液滴的碰撞实验对比，发现温度对超声振动曲面上液滴的动态碰撞过程影响较小。在过冷条件下，液滴驱离效率会略低于常温条件下，但仍能够持续有效地将液滴驱离表面，从而抑制冰层的增厚，说明超声振动曲面具有防水防冰的应用潜能。