水中油滴在梯度润湿表面上的微观聚结行为研究

The coalescence of small oil droplets in water is a difficult problem and a key technology to improve the efficiency of oil-water separation in oil production. The coalescence of oil droplets in water on the bionic gradient surfaces involves bionics, multiphase flow and microcosmic studies. However, the study on the relative questions is not sufficient at present, and there are many unsolved scientific problems with respect to the microscopic research, theoretical research and numerical simulation on oil droplet collision, spreading, movement and detachment on surfaces in water flow. By using high speed microscope photography technology, the collision, spreading, movement and detachment of oil droplets on surfaces with different wettability and on oil film with different thickness are discussed in water flow. The mathematical models are established to describe the oil droplet spreading and oil film deformation and motion. Then the influence of the wettability gradient on the oil film movement and detachment is studied. Finally, the scientific methods to promote the efficiency of oil-water separation by adopting the surface modification are present. The interfacial behaviors studied in this research, which has important theoretical value and scientific significance, belong to the scientific category of bionics and multiphase flow, and it accords with the development trend of scientific research from the macroscale to the mesoscale and microscale.

把水中微小油滴聚结成大油滴是石油生产中强化油水分离的难题与技术关键。水中油滴在仿生梯度润湿表面上的聚结规律涉及仿生学、多相和微观等问题，目前对该问题的研究还很不深入，微观实验研究、理论研究和数值模拟水流中油滴的撞壁铺展与运动脱附行为还有很多科学问题需要解决。本项目采用高速显微实验方法，研究流动状态下水中油滴在不同润湿性表面和不同厚度油膜上的撞壁铺展与运动脱附规律，建立油滴铺展数学模型和描述油膜变形与运动状态的数学模型，研究聚结表面润湿梯度对油膜运动脱附的影响，获得利用表面改性提高水中油滴聚结效果的科学方法。本研究内容属于仿生学与多相流的交叉科学问题，符合基础研究的研究尺度从宏观向介观、微观扩展的科学发展趋势，具有重要的理论价值和科学意义。

根据任务书的研究内容，构建了微观实验系统和微液滴制备系统，对不同流场参数、物性参数下水中油滴的微观行为进行了深入研究，基于经典力学和能量守恒理论，揭示了水中油滴变形、运动和脱落的内在机制。主要研究成果如下：.（1）从微观角度研究了静止水中油滴在表面的铺展行为，基于能量分析空气中液滴铺展模型进行修正，建立了水中油滴在不同润湿性表面上的铺展动力学模型。针对油滴在不同润湿性表面的粘附，建立了层流流场中水膜薄化和油滴在壁面粘附的数学模型，细化了油滴在固体表面的粘附过程。.（2）得到了油滴临界启动时三相接触点变化机制，分析了油滴高度、表面性质、水流速度对油滴启动的耦合作用，得到了油滴从不同性质表面上临界运动所需要的临界剪切水流速度。绘制了不同表面上油滴运动行为分区图，建立了描述油滴启动时刻的变形和运动状态的数学模型，得到了不同润湿性基底表面上不同高度油滴临界运动时所需的样槽内最小平均水流速度。.（3）对层流流场中不同润湿性表面上油滴连续运动形态以及特征参数进行了观察，得到了不同条件下油滴几何参数的变化规律，深入分析了油滴在连续运动时的影响因素，得到了油滴连续运动速度随水流速度的变化规律及油滴临界连续运动条件，得到了油滴连续运动判定准则以及油滴运动行为分区图。.（4）建立了层流流场中油滴连续运动数学模型，得到了油滴平均连续运动速度与流体物性、几何参数、水流速度以及表面润湿性等的定量关系，明确了油滴匀速运动与加速运动的必要条件。.（5）得到了油滴发生连续脱离时形态的变化，随着水流速度的增加，初始油滴在水流剪切作用下会发生变形、颈缩、液丝拉伸断裂、直至子液滴脱离。对不同水流速度下不同基底表面上不同高度油滴发生连续脱离后子液滴粒径进行分析，得到了上述三个变量对油滴连续脱离行为的影响规律及油滴有效脱离所需临界条件。