荷电PLGA溶液稳定多股射流模式的破碎行为研究

基于高时空分辨率的高速摄像技术,通过精确记录聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly lactic-co-glycolic acid,PLGA)溶液静电雾化多股射流模式下射流破碎的显微形貌特征,研究了电导率、粘度、电场强度及无量纲体积流量对稳定多股射流破碎形态的影响及作用规律。研究结果表明:通过调节聚合物溶液的电导率,发现了曲张模式、鞭状射流模式及分枝射流模式这3种破碎形态的稳定多股射流,而粘度主要影响射流液丝的破碎。随着电场强度的上升,稳定多股射流的射流倾斜角增大,射流单锥液面向喷嘴尖端收缩,且液面的轮廓形状为凹面,而射流的破碎模式保持稳定。此外,无量纲体积流量的增加会增强射流径向扰动,射流直径也随之增大,且在稳定极限流量内,射流破碎长度随无量纲体积流量的增加而增大。

细颗粒物撞击荷电液滴的研究

利用设计的实验装置研究了颗粒和颗粒微团受静电力牵引撞击荷电液滴过程。研究发现:部分颗粒到达荷电液滴表面后出现撞击反弹现象,当撞击角小于85°时,接近50%的颗粒发生反弹;颗粒微团由于结构松散在撞击荷电液滴后发生解体,大部分子颗粒被排斥反弹。部分体积较大的颗粒微团由于吸收过量空间电荷导致极性与荷电液滴一致,受库仑斥力作用在接触液滴表面以前发生逃逸。细颗粒物出现反弹、解体以及逃逸等二次飞散现象明显降低荷电液滴对细颗粒物的捕集效率。

感应荷电过程中喷雾荷电特性影响规律实验研究

荷电水雾可有效提高液滴捕集微细颗粒物的效率,其中液滴的荷电特性是影响荷电水雾除尘效率的重要因素。为此,从水雾感应荷电理论出发,建立了液滴群荷电量的理论计算式,通过改变荷电电压、电极间距、雾化压力以及电极环直径,实验研究了各种因素对液滴荷质比的影响规律,并测试了喷雾特性。实验研究结果表明:液滴荷质比随荷电电压的升高而先增大后减小,随电极环直径的增大而减小,随电极间距的增大而增大;液滴的荷电效果与雾化压力有关,且对于同一喷嘴存在荷电效果最佳的雾化压力值;液滴粒径随荷电电压的增大而逐渐减小,且当液滴粒径较小时,荷电电压对液滴粒径的影响相对较弱。该研究结果对于提高液滴的荷电效果、促进荷电水雾在控制微细颗粒物方面的应用具有重要的指导意义。

滴状模式下液桥形成及断裂的电流体动力学特性研究

对电场作用下微通道荷电液滴脱落过程中液桥形成及断裂的显微演变特征进行了可视化实验研究.借助时空分辨率较高的高速摄像技术精确捕捉了电场作用下液桥形成及断裂的界面演化过程,研究了液桥的界面结构变化及其断裂的动力学显微演变行为,获得了时间特征数、电邦德数及半月面形成角对液桥长度及断裂顺序的作用规律.实验结果显示,液桥断裂长度取决于黏度与表面张力之比,而受荷电弛豫时间的影响甚微,低电压工况下各实验介质液桥相对长度的变化并不明显,而在较高电压工况下相对液桥长度的增长速度加快.随着电邦德数的不断增加,液桥长度的变化在较高邦德数下更为明显且存在突变区,此时伴随着雾化模式的转变,表明液桥的突变恰恰是雾化模式过渡的信号.不同物性介质的射流过渡行为由于液桥上下游形成角的变化而存在较大差异.对于无水乙醇介质,电邦德数的增加使滴状模式首先过渡到纺锤模式,而对于生物柴油,滴状模式后会首先出现脉动模式而非纺锤模式.

电邦德数影响下无水乙醇的荷电微射流不稳定性

基于高速摄像及小尺度PIV技术对无水乙醇荷电微射流雾化模式的演变及射流不稳定性进行了实验研究。精确捕捉了无水乙醇荷电微射流的显微演变过程,探讨了电邦德数影响下不同雾化模式的射流不稳定性演变特征及其对微射流雾化特性的影响规律。实验结果表明:射流的非轴对称性径向扰动贯穿于整个射流雾化模式区间;随着电邦德数不断增大,射流偏离度呈先增大后减小的趋势,而其不确定性的脉动范围在锥射流模式下不断增大,过渡到多股射流模式后,脉动范围逐渐减小至零,而后再逐渐增大;锥射流模式下,射流核心区及速度方向均偏离轴心,射流速度较纺锤模式明显回落;多股射流模式下,射流核心区速度明显回升,但不同电邦德数下多股射流之间的速度分布差异较大;多数情况下,射流边界处的流线较为紊乱,缺乏对称性,但在电邦德数为13.30~13.60的极小区间内保持稳定的多股射流稳定雾化形态,射流核心区速度达到峰值。

荷电液滴吸附颗粒物过程的试验

液滴荷电可增强其对颗粒物的吸附能力,有效提高其除尘效率.建立了荷电单液滴吸附颗粒物的试验系统,采用高速摄像技术结合显微放大图像处理技术对颗粒物的运动特性进行了可视化研究,捕捉了荷电液滴在吸附过程中颗粒物的运动轨迹.通过分析颗粒物在静电力、质量力以及黏性力等作用下的运动特性,发现颗粒物的粒径是影响其运动的主要因素.结果表明:荷电液滴比未荷电液滴更易于吸附颗粒物;颗粒物在到达液滴表面后无法克服液滴的表面张力能,会黏附在液滴表面;部分颗粒物及其微团在飞向荷电液滴的运动过程中会出现奇特的排斥飞散现象;粘黏沉积及排斥飞散现象都会影响荷电液滴捕集颗粒物的效率.

膜蒸馏组件结构优化计算流体力学模拟及实验研究

为提高膜蒸馏过程中的渗透通量,对膜组件料液侧流道进行优化,利用计算流体力学(CFD)软件,对3种膜组件(模型A、模型B、模型C)进行三维模拟计算,对比分析各膜组件的内部流动状态、温度极化系数(TPC)、浓度极化系数(CPC);同时,考察流道优化后膜通量和热效率的变化情况。模拟结果表明:模型A内存在主流区和回流区,模型B内分区现象消失,模型C内流动最为复杂;模型A温度极化最严重,模型B浓度极化最严重,模型C各极化现象最弱;此外,模型C在膜通量方面比模型A提升至少90%,对于热效率,模型C最高,模型A与模型B在不同工况下存在差异。最后,选取模型C进行实验,发现实验值与模拟值吻合良好,验证模型的准确性。结果表明:流道优化能极大改善膜蒸馏的通量问题,研究结果为进一步优化内部结构提供了科学依据。

荷电液滴吸附细颗粒物的数值模拟分析

为了研究静电湿式除尘中荷电液滴对细颗粒物的吸附特性,考虑了黏性阻力、重力以及静电引力的作用,通过求解牛顿方程获得耦合场下荷电液滴周围细颗粒物的运动轨迹方程,建立了静电力和气动力共同作用下细颗粒物粒子运动的数值模型,模拟2维空间中荷电液滴周围细颗粒物的运动轨迹,给出了不同斯托克斯数以及库仑数下细颗粒物的沉积效率,获得影响荷电液滴吸附细颗粒物效率的主要参数及其作用机制,模拟结果与试验数据较为吻合.结果表明:单个大尺寸的液滴的吸附面积比略高于小尺寸的液滴,而相同气液比下小粒径液滴具有更高的吸附效率,静电湿式除尘对粒径在1到10μm间的细颗粒物具有最佳的吸附效果.

液滴变形对荷电水雾吸附细颗粒物影响

为研究液滴变形对荷电水雾吸附细颗粒物的影响,通过对三维空间中液滴周围细颗粒物的运动方程量纲为1化,获得影响细颗粒物运动的主要参数——斯托克斯数(Stk)和库仑数(Kc),在考虑液滴变形对电场影响的基础上,建立了静电力和气动力共同作用下不同变形状态的荷电液滴周围细颗粒物运动的数值模型,通过追踪三维空间中细颗粒物的运动轨迹来描述荷电单液滴的除尘过程。结果表明:Stk的增大能促进惯性碰撞沉积,而Kc的增大能促进静电沉积;液滴变形为长椭球且它的长轴与气流运动方向平行时,会削弱惯性碰撞沉积,但对静电沉积有一定促进作用,而长轴与气流运动方向垂直时,情况则完全相反;液滴变形率越大,不同角度下液滴变形对沉积的影响作用越强。

亚毫米球体撞击液滴过程实验研究

球体撞击液面是自然界和工业过程中的普遍现象.目前相关研究主要关注毫米级及更大尺寸球体撞击水平液面.对于亚毫米球体撞击过程的动力学特性及液滴弯曲液面对撞击行为的影响仍需深入研究.本研究基于高速显微数码摄像技术,开展了不同速度亚毫米球体撞击液滴不同位置的实验研究.撞击行为呈现振荡和浸入两种模式.由于液滴弯曲液面的存在,撞击现象与水平液面不同,润湿过程中三相接触线(three phase contact line,TPCL)固定点方位角与撞击角度线性正相关,非轴对称的空穴在TPCL固定点较高一侧率先形成且曲率半径较大.揭示了撞击过程中球体主导力变化和能量转化机制.分析了撞击速度和撞击角度对撞击行为的影响,并给出了撞击模式图.结果表明:冲击阶段形状阻力主导撞击行为,球体动能损耗量与撞击速度正相关.空穴发展阶段由表面张力主导,球体动能转化为维持空穴形状的表面能.振荡模式空穴长度与韦伯数We正相关,空穴发展速度差异较小.根据量纲分析及实验结果拟合得到临界浸入韦伯数We_(cr)与撞击角度α关系式We_(cr)^(1/2)=α/40.

防疫通道喷雾消毒过程的数值模拟

防疫通道喷雾消毒是切断病毒传播的重要方式.以江苏大学与企业产学研合作研制的卫生防疫通道为基础,基于FLUENT仿真平台采用CFD双向耦合DPM方法,数值模拟了人员通过通道时喷雾和多相流场的分布情况.结果表明,雷诺数为1×105左右,喷雾能够很好地分布在人体模型两侧;上排喷雾孔喷雾角为0°,该工况适合较高人员通过消毒通道;上排喷雾孔下倾10°,适合中学未成年人通过防疫通道;下排喷雾孔喷雾角向下倾斜30°时,喷雾主要分布在人体模型脚部附近,可满足对脚部的重点消毒需求.人体模型移动时会在模型周围形成大量的绕流,有利于提高消毒效率.通过适当调整上下排喷雾孔喷雾角,可以满足对人体模型局部重点消毒或整体覆盖消毒的不同需求.分析结果可以为卫生防疫通道设计与改进提供参考.

荷电液滴群捕集非均匀粒径颗粒物的数值模拟

针对荷电液滴群捕集颗粒物过程中系统参数对捕集效率的影响,基于计算流体力学-离散元法(CFD-DEM),数值模拟了荷电液滴群捕集非均匀粒径颗粒物。结果表明:在库仑斥力影响下,液滴群运动过程中不断向外扩展,颗粒物聚集形态不断变化。静电沉积占主导地位时,捕集效率对液滴间距不敏感,液滴间距可以认为是喷雾密度,即除尘效率受喷雾密度影响较小;增大液滴荷电量提升的捕集效率主要来自对粒径小于5μm颗粒物的捕集;液滴粒径对捕集效率的影响较小;液滴速度对单位时间捕集效率影响较小,但降低液滴速度可以延长其扫掠时间,从而提升捕集效率。

荷电液滴捕集颗粒物特性的研究

设计了荷电液滴捕集颗粒物的实验装置,对自由落体荷电液滴捕集颗粒物特性进行了实验研究。荷电液滴穿过粉尘室捕集颗粒物并在载玻片上铺展,利用显微镜对不同下落高度和荷电量的荷电液滴吸附的颗粒物在液滴表面的沉积特性进行了观察和分析。实验表明:荷电液滴的颗粒物捕集量高于非荷电液滴一个数量级以上;颗粒物在荷电液滴表面发生了显著的团聚现象;荷电液滴的迎风面是捕集颗粒物的主要区域,但是颗粒物的实际沉积区域小于液滴的半球面;降低下落高度或增大荷电量能够提高液滴对颗粒物的捕集半径,但是会加剧液滴捕集效率的波动;在一定的雷诺数范围内,液滴对颗粒物的捕集量与其电荷量呈线性比例关系。

荷电液滴捕集细颗粒物的数值模拟研究

对固定荷电液滴吸附细颗粒物进行了数值模拟计算。采用微漏电模型计算电场分布和作用在液滴上的电场力。利用VOF模型追踪液滴自由界面,考虑自由界面流体体积分数过渡引起的物性参数变化。通过求解牛顿方程计算固体细颗粒物的运动轨迹。计算模拟了细颗粒物在库仑力、电场力、流体黏阻以及重力的作用下脱离基底被荷电液滴捕集的全过程,分析了不同电场强度、颗粒粒径以及液滴粒径等因素对吸附效率的影响。计算结果与实验结果吻合较好。

荷电液滴雾化演变过程的可视化研究

基于显微高数数码摄像技术对毛细通道荷电液滴雾化模式的演变过程进行了可视化研究。以不同乳化状态的生物柴油、无水乙醇、去离子水为研究介质,采用带有显微变焦镜头的高速数码相机对荷电液滴雾化的显微形貌进行了微距拍摄,探讨介质电导率、黏度及表面张力等对荷电液滴雾化模式演变的影响规律。实验结果表明:随着电导率的增加,维持滴状模式的荷电电压区间逐渐变窄,脉动模式的电压区间逐渐扩大,而锥射流模式的电压区间逐渐缩短。对于低表面张力的绝缘性液体,黏度的降低可获得亚微米级或纳米级的稳定多股射流喷射羽。而对于低黏度的绝缘性液体,表面张力的增加会导致荷电雾化的雾滴平均粒径偏大且不均匀。

荷电液滴脉动变形特性的实验研究

为探讨荷电液滴的变形机理,对滴状模式下荷电液滴的脉动变形特征进行了实验研究。综合考虑毛细管经、荷电电压及液滴的物性参数,采用带有显微变焦镜头的高速数码相机对荷电液滴进行了微距拍摄,并结合图像处理技术研究了荷电液滴的脉动变形问题。实验结果表明:随着电压的增加,液滴的最大变形率逐渐增大,但其脉动变形周期却逐步减小。对于导电性液体,电导率对荷电液滴的变形率及脉动周期影响微弱。表面张力与荷电液滴的最大变形率呈反比,与其脉动变形周期呈正比。

电场作用下乙醇的稳定多股射流现象

基于高时空分辨率的高速摄像技术,通过精确记录无水乙醇静电雾化多股射流模式下射流形成及演变的显微形貌特征,研究了电邦德数及无量纲流量等参数对稳定雾化区间及稳定股数演变行为的影响及作用规律.研究结果表明:乙醇稳定多股射流存在不同的稳定股数,其稳定股数N波动区间为2~10股,并先后出现稳定多股射流弯液面模式和边缘模式.边缘模式下,随着稳定股数的增加,稳定多股射流的电邦德数区间和临界最低电邦德数均在不断增大,且出现稳定多股射流的电压开关现象.随着无量纲流量的增加,各稳定股数下的电邦德数极大值整体呈线性增长趋势,同等流量下电邦德数极大值随稳定股数的增加而不断增大,且较电邦德数极小值的增加幅度明显.此外,边缘模式下随着稳定股数的增加,射流偏离角整体呈增大趋势,但各股数下的射流偏离角变化幅度均控制在5°±0.3°.

液滴演化及静电场下锥射流形成的数值模拟

液滴的演化作为雾化的最基本形式,研究其动力学特性为深入探究静电雾化机理提供了重要的理论依据。静电雾化的重要形式之一是锥射流,研究其形成过程及电动力学特性对于探讨分析多股射流等其他复杂多相流具有重要意义。利用Level-set耦合VOF方法,在假设流体不可压缩并做平流运动的情况下,对单液滴生成过程以及静电场下锥射流的形成进行了数值模拟。模拟结果与实验结果较好吻合,验证了Level-set耦合VOF方法模拟两相流问题的有效性。同时分析了液滴生成过程及锥射流状态下的速度场等分布,为模拟多场耦合等复杂条件下的液滴二次雾化奠定了基础。

异性荷电液滴非聚合特性的实验研究

基于显微高数数码摄像技术对异性荷电液滴对撞行为的演变过程进行了实验研究。以不同离子浓度的盐酸水溶液为研究介质,精确捕捉了不同电压下异性荷电液滴的非聚合破碎形貌特征,探讨了介质电导率等对异性荷电液滴非聚合及破碎特性的影响规律。实验结果表明:低电导率液滴在较高电压下的动力学行为表现为非接触反弹。随着电导率的增加,液滴对撞过程的动力学行为表现为非接触破碎,液滴尖端的离子浓度在发生空气放电前达到瑞利极限。液滴破碎行为的剧烈程度与液体电导率成正比,高电导率液体在较低的电压区间便观察到液滴的破碎行为,且液滴拉伸速率及破碎体积对电场强度的变化更加敏感。

阵列荷电液滴吸附细颗粒物的数值模拟

静电湿式除尘技术可以改善传统湿式除尘技术对于微细颗粒物吸附效果不佳的状况。通过求解牛顿方程,建立静电力和气动力共同作用下在阵列液滴群吸附下细颗粒物运动的数值模型,通过追踪二维空间中细颗粒物的运动轨迹,描述荷电液滴吸附细颗粒物的动力学演变过程。结果表明:大阵列的液滴群,较小的相邻液滴平均间距能获得更高的吸附效率;相同的气液比下,小粒径的液滴群能获得更高的除尘效率。