电场下液滴变形和聚结行为的数值模拟

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目前湿式烟气脱硫采用的除雾器对平均粒径大于20μm的液滴脱除效率高,而对粒径小于20μm的微小液滴脱除效果并不理想,且近几年,国家对环保及节能提出更高要求,研发高效、经济的气-液两相分离技术,是提高气-液分离设备对微小粒径液滴脱除效率的关键。静电聚结,该技术作为一种环保、节能、高效的分离技术已在液-液两相分离中得到了宽泛运用,而在气-液两相分离中的应用较为少见,因此研究电场下作用下气-液两相流场中的液滴变形和聚结行为,不仅完善了气-液两相中液滴静电聚结的理论,而且对推动国内在静电聚结领域和气-液分离技术领域的发展与进步具有深远而又重大的理论和实际意义。  本文采用基于Cahn-Hilliard方程的相场方法将电场和流场进行耦合,建立耦合场作用下单个液滴的变形和双液滴聚结的数值模型,研究分析液滴在变形和聚结的过程中,两相流速、电场强度、液滴界面张力、液滴粒径等因素对分散相液滴变形和聚结行为的影响。  本文通过对电场作用下单个液滴变形行为的数值模拟研究发现:在流场单一作用下,当两相流速低于0.7m/s,液滴粒径越大,液滴变形度越大;当两相流速在0.71m/s~20.06m/s之间,14μm粒径液滴变形度最大,10μm粒径液滴次之,18μm粒径液滴最小;当两相流速大于20.07m/s,液滴粒径越大,液滴变形度越小;在电场和流场耦合作用下,液滴变形度随两相流速、电场强度增大而增大,随液滴粒径、界面张力增大而减小。  通过对电场作用下双液滴聚结行为的数值模拟研究发现:在流场和电场耦合的作用下,液滴的行为分为聚结,聚结后破裂和不聚结三种行为;在较低的流速下,当施加的电场强度低于临界场强时,液滴对相互靠近,接触直至聚结,并且随着电场强度的增大,液滴对靠近速率加快,液滴对聚结时间缩短;当施加的电场强度高于临界场强时,液滴对相互靠近,接触,并在接触后又破裂;在较高的流速下,液滴不易发生聚结。在电场和流场耦合作用下,液滴的聚结时间随着液滴粒径,两相流速的减小而减少,随着电场强度,液滴界面张力的增大而减少。  本文借助数值模拟手段,采用基于Cahn-Hilliard方程的相场方法,建立了在电场和流场耦合作用下,单个液滴变形和双液滴聚结行为的数值模型,对气相中单个液滴的变形和双液滴分聚结行为进行数值模拟,研究结果为静电聚结在气-液分离技术中的应用提供理论基础。
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