介观尺度下荷电雾滴表面特性及雾滴内部超细颗粒运动规律研究

雾滴荷电是改善传质的重要手段，其粒径、运动特性、荷电特性以及介观尺度下雾滴表面特性、雾滴内部超细微颗粒的运动规律都对雾滴传质产生较大影响。本项目利用Micro-PIV研究静电场作用下荷电雾滴表面运动行为和荷电雾滴内部超细颗粒运动规律，从分子动理学出发建立雾滴表面运动模型和荷电雾滴内部液固两相流动模型，并采用Monte-Carlo方法求解雾滴内部两相流场；采用高速数码相机研究荷电雾滴破碎和碰撞过程中荷电雾滴界面形态演化，并采用耦合荷电衰减规律的VOF模型进行验证。获得介观尺度下静电场中以静电力、表面张力等为驱动主导作用的荷电雾滴表面运动特性、雾滴内部液固两相流动规律，以及荷电雾滴气液接触面的形态演化规律，揭示雾滴在介观尺度下的表面特性和内部超细颗粒运动规律。本课题将开拓解决研究介观尺度下雾滴表面运动及内部流动的新途径，为荷电增强气液传质机理研究提供新思路，为介观尺度下流动研究提供理论支撑。

本项目针对荷电液滴具有的特殊的表面特性、雾滴内部流动特性等，通过理论分析、实验测量和数值模拟等方法，研究探讨了雾滴表面的荷电特性、运动特性等界面特性以及雾滴内部流动特性。采用理论分析方法研究了雾滴静电场中雾滴表面的自由电荷分布，获得了诱导电荷与雾滴表面自由电荷的关系，并分析了自由电荷和诱导电荷对雾滴破碎的影响。根据漏电介质理论建立了液滴雾滴变形与内部流动的数学模型，采用VOF（Volume of Fluid）界面追踪方法数值计算了均匀电场作用下液滴在不相溶液体中的变形与内部流动问题，探讨了两种介质的电导率比、粘性比、介电常数比等对界面荷电特性、液滴变形方向、变形率以及内部流动的影响，并探讨了两个分散液滴的聚并过程。采用高速数码相机捕捉了荷电液滴破碎过程中雾滴的界面形态变化过程，并结合图像处理技术进行了可视化分析。采用最小能量模型，分析了燃油雾滴静电破碎的临界条件，并与实验结果进行了对比分析。建立了多场耦合作用下雾滴内部流动与传热传质的数学模型，采用VOF模型和CSF（Continuum Surface Force）方法研究了外部流场与温度场作用下雾滴内部流动问题，并详细探讨了外部流场与温度场作用下雾滴内部流动对雾滴传热传质的影响。建立了荷电喷雾流动实验台，采用PDPA（Phase Doppler Particle Analyzer）分析了不同粒径雾滴的运动特性，探讨了荷电对雾滴宏观运动特性的影响。建立了荷电喷雾烟气脱硫实验装置，分析探讨了荷电喷雾烟气脱硫的增益机理。