物性对油滴剪切变形影响的模拟分析.pdf

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1、化工机械2012年物性对油滴剪切变形影响的模拟分析倪玲英+(中国石油大学(华东))摘要以简单线性剪切流为背景，采用VOF模型及若干自定义子程序进行模拟分析，探讨物性对油滴变形和破碎的影响关系。模拟表明：粘度对变形起到抑帝l作用。粘皮越大，变形越难。更能耐受剪切流动；表面张力越小，油滴越容易发生变形和破碎，稳定性越差，表面张力阻止了油滴的变形；油滴粒径越大，越易变形、破碎，越不稳定。关键词油滴物性变形模拟中图分类号TQ051．8+4文献标识码A文章编号0254．6094(2012)04J0500m3在污水处理过程中，分散相油滴在剪力作用下会发生变形

2、、破碎现象，所以油滴的变形在油水分离等石油工业领域具有广泛的研究价值。而油滴的变形过程极其复杂，不仅涉及到流场流动状态和强度，也涉及到油滴的物性，而油滴在稳定的剪切流场中，通常认为油滴的粘度队油滴的粒径d及油水间表面张力盯等因素，对油滴的形状变化起着至关重要的作用，其影响的定量关系尚不清楚，这些因素之间应遵循关系现在很难进行定量描述；从研究方法上讲，其定量关系只有通过试验来得出，而事实上目前的试验手段无法实现。笔者借助于VOF模型及若干自定义子程序进行模拟计算，进行了物性对油滴剪切变形和破碎影响的模拟分析。1VOF原理VOF(volumeofnu

3、id)模型¨。在固定的欧拉网格中应用界面(表面)跟踪技术，在整个流场中定义一个函数，在每个网格中，这个函数定义为一种流体的体积与整个网格体积的比值，在VOF方法中把这一比值定义为F。不包含分散相油的网格为空网格，，值为O；充满分散相油的网格为满网格，F值为1；包含油水界面的网格为半网格，网格内既包含水，又包含油，F值介于。和l之间。在一般情况下，处理界面问题不考虑油水两相混合的问题，在任意时刻，可以用函数F的分布来捕捉界面单元网格用以模拟油相的界面。设计算区域力，流体油所在的区域记为n‘，流体水所在的区域记为谚，首先定义一个函数：r1算∈n‘“％

4、”{o茁E仃(1)对于两种不相容的流体组成的流场，d满足：等q蓑=o(2)dl‘a茁．在单元网格上定义F为d在网格上的积分：F．古卜如<3)式中F称为VOF函数，且满足：譬饥娑：o(4)i札ti_u(4J主流场的数学模型和运动界面的数学模型在实际问题中是互相制约、相辅相成的。例如，通过主流场一个时间步长的数值计算之后，得到了速度场，将这个速度场赋予运动界面数学模型的下一个时闻步的计算中，则得到新时刻时运动界面的位置。2油滴变形模拟分析‘2．1剪切场假定油水之间不发生化学反应，且不讨论它们之间的热力学特性，仅从力学角度进行分析，鄙t倪玲英，女，19

5、64年9月生，教授。山东省青岛市，266555。第39卷第4期化工机械501此过程视为没有传热的物理过程，那么水为连续相，油为以滴状存在的分散相。假设油水混合物进入重力式分离器中简单线性剪切流场：f1(江1，J22)f1(i21，J22)占。，={l(i=2。J=1)，』2i『={l(i=2，，=1)【o(其他情况)【O(其他情况)其特点是速度变化为线性关系，涡量强度与变形率强度相等，流场参数如模拟图l所示的剪切应力为常数的流场。岫ve曲woC“or州时v．Ioc¨M_一tu如l刑图1剪切应力为常数的流场在稳定的剪切运动过程中，油滴的粘度、粒径及

6、油水界面上表面张力等因素，对油滴的形状与运动速度起着决定性的作用，假设未变形前油滴的直径为d，油水间的表面张力盯，水的粘度设为1mPa·s，没有特殊说明时油的粘度肛。设为50mPa·s，油的密度设为870kg／m3。2．2粘度影响图2显示了油滴粒径d为300仙m时，在简单线性剪切场下，设油水表面张力盯为1mN／m，不同粘度时液滴形状和位置随时间的演化过程，结果表明：油滴粘度较小取为3mPa·s时，与连续水相的粘度在同一数量级，对于不同粒径，油滴还来不及变形，首先从表面毛化开始，很快进入暴破式、粉碎性破碎(图2a)；油滴粘度较大取为50mPa·s时

7、，随着时间的推进，油滴的形状发生了较大的变化，也有小油滴从母油滴上脱落，但不存在粉碎性破碎现象(图2b)。通过对比可以看出，粘度是影响油滴变形、破碎的一个重要影响因素，粘度对变形起到抑制作用，粘度越大，变形越难，更能耐受剪切流动而较不易破碎。⋯[]⋯[][]a．粘度为3mPa·8b．粘度为50mPa·s图2油滴粒径为300斗m在不同粘度条件下变形对比2．3粒径影响在一定简单线性剪切场条件下，设油的粘度为50mPa·s，油水表面张力盯为3mN／m，模拟了不同油滴粒径油滴变形，如图3所示。结果表明：油滴粒径越大，越易变形、破碎；随着油滴粒径减小，油滴

8、抵抗外力作用的能力增强而较不易破碎，油滴越稳定。a．油滴粒径为200斗mb．油滴粒径为400斗m图3不同油滴粒径变形对比示意图502化工