資源描述：
《物性對油滴剪切變形影響的模擬分析.pdf》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、化工機械2012年物性對油滴剪切變形影響的模擬分析倪玲英+(中國石油大學(xué)(華東))摘要以簡單線性剪切流為背景，采用VOF模型及若干自定義子程序進行模擬分析，探討物性對油滴變形和破碎的影響關(guān)系。模擬表明：粘度對變形起到抑帝l作用。粘皮越大，變形越難。更能耐受剪切流動；表面張力越小，油滴越容易發(fā)生變形和破碎，穩(wěn)定性越差，表面張力阻止了油滴的變形；油滴粒徑越大，越易變形、破碎，越不穩(wěn)定。關(guān)鍵詞油滴物性變形模擬中圖分類號TQ051．8+4文獻標識碼A文章編號0254．6094(2012)04J0500m3在污水處理過程中，分散相油滴在剪力作用下會發(fā)生變形
2、、破碎現(xiàn)象，所以油滴的變形在油水分離等石油工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的研究價值。而油滴的變形過程極其復(fù)雜，不僅涉及到流場流動狀態(tài)和強度，也涉及到油滴的物性，而油滴在穩(wěn)定的剪切流場中，通常認為油滴的粘度隊油滴的粒徑d及油水間表面張力盯等因素，對油滴的形狀變化起著至關(guān)重要的作用，其影響的定量關(guān)系尚不清楚，這些因素之間應(yīng)遵循關(guān)系現(xiàn)在很難進行定量描述；從研究方法上講，其定量關(guān)系只有通過試驗來得出，而事實上目前的試驗手段無法實現(xiàn)。筆者借助于VOF模型及若干自定義子程序進行模擬計算，進行了物性對油滴剪切變形和破碎影響的模擬分析。1VOF原理VOF(volumeofnu
3、id)模型¨。在固定的歐拉網(wǎng)格中應(yīng)用界面(表面)跟蹤技術(shù)，在整個流場中定義一個函數(shù)，在每個網(wǎng)格中，這個函數(shù)定義為一種流體的體積與整個網(wǎng)格體積的比值，在VOF方法中把這一比值定義為F。不包含分散相油的網(wǎng)格為空網(wǎng)格，，值為O；充滿分散相油的網(wǎng)格為滿網(wǎng)格，F(xiàn)值為1；包含油水界面的網(wǎng)格為半網(wǎng)格，網(wǎng)格內(nèi)既包含水，又包含油，F(xiàn)值介于。和l之間。在一般情況下，處理界面問題不考慮油水兩相混合的問題，在任意時刻，可以用函數(shù)F的分布來捕捉界面單元網(wǎng)格用以模擬油相的界面。設(shè)計算區(qū)域力，流體油所在的區(qū)域記為n‘，流體水所在的區(qū)域記為諺，首先定義一個函數(shù)：r1算∈n‘“％
4、”{o茁E仃(1)對于兩種不相容的流體組成的流場，d滿足：等q蓑=o(2)dl‘a(chǎn)茁．在單元網(wǎng)格上定義F為d在網(wǎng)格上的積分：F．古卜如<3)式中F稱為VOF函數(shù)，且滿足：譬饑娑：o(4)i札ti_u(4J主流場的數(shù)學(xué)模型和運動界面的數(shù)學(xué)模型在實際問題中是互相制約、相輔相成的。例如，通過主流場一個時間步長的數(shù)值計算之后，得到了速度場，將這個速度場賦予運動界面數(shù)學(xué)模型的下一個時聞步的計算中，則得到新時刻時運動界面的位置。2油滴變形模擬分析‘2．1剪切場假定油水之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且不討論它們之間的熱力學(xué)特性，僅從力學(xué)角度進行分析，鄙t倪玲英，女，19
5、64年9月生，教授。山東省青島市，266555。第39卷第4期化工機械501此過程視為沒有傳熱的物理過程，那么水為連續(xù)相，油為以滴狀存在的分散相。假設(shè)油水混合物進入重力式分離器中簡單線性剪切流場：f1(江1，J22)f1(i21，J22)占。，={l(i=2。J=1)，』2i『={l(i=2，，=1)【o(其他情況)【O(其他情況)其特點是速度變化為線性關(guān)系，渦量強度與變形率強度相等，流場參數(shù)如模擬圖l所示的剪切應(yīng)力為常數(shù)的流場。岫ve曲woC“or州時v．Ioc¨M_一tu如l刑圖1剪切應(yīng)力為常數(shù)的流場在穩(wěn)定的剪切運動過程中，油滴的粘度、粒徑及
6、油水界面上表面張力等因素，對油滴的形狀與運動速度起著決定性的作用，假設(shè)未變形前油滴的直徑為d，油水間的表面張力盯，水的粘度設(shè)為1mPa·s，沒有特殊說明時油的粘度肛。設(shè)為50mPa·s，油的密度設(shè)為870kg／m3。2．2粘度影響圖2顯示了油滴粒徑d為300仙m時，在簡單線性剪切場下，設(shè)油水表面張力盯為1mN／m，不同粘度時液滴形狀和位置隨時間的演化過程，結(jié)果表明：油滴粘度較小取為3mPa·s時，與連續(xù)水相的粘度在同一數(shù)量級，對于不同粒徑，油滴還來不及變形，首先從表面毛化開始，很快進入暴破式、粉碎性破碎(圖2a)；油滴粘度較大取為50mPa·s時
7、，隨著時間的推進，油滴的形狀發(fā)生了較大的變化，也有小油滴從母油滴上脫落，但不存在粉碎性破碎現(xiàn)象(圖2b)。通過對比可以看出，粘度是影響油滴變形、破碎的一個重要影響因素，粘度對變形起到抑制作用，粘度越大，變形越難，更能耐受剪切流動而較不易破碎。?[]?[][]a．粘度為3mPa·8b．粘度為50mPa·s圖2油滴粒徑為300斗m在不同粘度條件下變形對比2．3粒徑影響在一定簡單線性剪切場條件下，設(shè)油的粘度為50mPa·s，油水表面張力盯為3mN／m，模擬了不同油滴粒徑油滴變形，如圖3所示。結(jié)果表明：油滴粒徑越大，越易變形、破碎；隨著油滴粒徑減小，油滴
8、抵抗外力作用的能力增強而較不易破碎，油滴越穩(wěn)定。a．油滴粒徑為200斗mb．油滴粒徑為400斗m圖3不同油滴粒徑變形對比示意圖502化工
