高频脉冲电场中液滴的运动与变形【推荐论文】 .doc

精品论文高频脉冲电场中液滴的运动与变形罗小明，闫海鹏，何利民，梁风龙，杨东海（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，青岛，266580）5摘要：本文通过对油中水滴在高频脉冲电场中的运动及变形特性的实验研究，揭示了单脉冲 电场中水滴的变形特性，分析了脉冲电场频率及电场强度对液滴运动特性的影响规律。经研究发现，小直径液滴（d<100m）在高频脉冲电场中未发生变形，即在高频脉冲电场中可认 为小直径液滴近似为刚性球体。通过对电场强度及电场频率对液滴运动参数的影响发现，脉10冲电场对液滴的运动有显著影响，这表现在：液滴的运动速度随着频率的增加和场强的增大 而增大，且液滴的位移及瞬时速度的变化随频率的升高而加快。关键词：油水分离；电场；高频脉冲；液滴运动中图分类号：T624.115Kinematic characteristics of the water droplets in oil under high-frequency impulse electric fieldLUO Xiaoming, YAN Haipeng, HE Limin, LIANG Fenglong, YANG Donghai(College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao266580)20Abstract: In petroleum industry, high electric fields are used in the separation of water drops from oil phase.In this paper based on theoretical research, the kinematic and deformation characteristics of water droplets in oil under high-frequency impulse electric field have been experimentally investigated. The experiment system combines the high-speed viedo device with the microscope. The research concerns the influences of frequency and field strength on the droplets under the25applied high-frequency pulsed electric fields. Besides the frequency and field strength of the pulsed electric fields, this paper also discusses how the types of electric field affect the motion and diformation of droplets. Experiment results illustrate the deformation characteristics of water droplets in single impulse electric field. The influences of impulse frequency and field strength on the kinematic characteristics of water droplets is analyzed. Results also indicate that the droplets30(diameter<100m) cannot deform in the high-frequency impulse electric field and thus the droplets can be regarded as rigid spheres in these electric fields. However, the kenetics of droplets has been obviously influenced in the impulse electric field. Droplet velocity increases with increasing impulse frequency and electric field intensity. The variation speed of displacement and instantaneous velocity rises with increase of impulse frequency.35Key words: oil-water separation; electric field;high-frequency impulse; kinetics of droplets0引言通常对油包水乳状液进行破乳的方法有化学破乳、酸碱值调节法、过滤法、热处理法、薄膜分离法及静电破乳法1。从能量利用效率的角度来看，电场处理无疑是上述方法中最优40的2。置于电场中的带电水滴将向同自身所带电荷电性相反的电极运动，即：带正电荷的水 滴向负极运动，而带负电荷的水滴向正极运动，这种现象称为电泳3。对于液滴电泳现象的 研究一般限于直流电场。M. Hase4等曾经观察研究了直流电场中微米级液滴在电极之间有 规律地往返运动现象，并结合 Ca 数、Re 数以及 Ce 数等无量钢参数对液滴的运动特点进行 了定量的理论分析，但其局限在于仅仅对直流电场液滴运动特性进行研究。同样，Eow5利基金项目：高等学校博士点基金资助 20090133120006作者简介：罗小明（1980-），男，副教授，主要研究方向：多相流动与多相分离. E-mail: upclxm163.com- 8 -45用直流电场实验研究了液滴在直流电极板间运动。除电泳外，介电泳（DEP）是电场中液滴运动的另一种重要形式。介电泳是指由非均匀电场极化作用引起的液滴运动行为6,7,8。此外， 在高压直流或交流电场中，由于液滴在电场中受电场的极化和静电感应，因而在水滴两端出 现不同极性的电荷，形成电偶极子。电偶极子在电场作用下使水滴产生拉长变形及振动3。脉冲电场最初是由Bailes和Larkai 9提出并应用的。高频脉冲电破乳具有能耗小、效率50高的显著优势10。目前对高频脉冲电场中液滴的运动及变形研究较少。本文采用信号发生器 及高压功率放大器等设备对高频脉冲电场下液滴的变形及运动进行了研究，并对实验现象进 行了分析。1实验系统本实验所采用的实验系统的流程图如图 1（a）所示。高压电源的高压输出端及接地端55与实验样槽的两个铜片电极相连，从而获得实验所需的高压脉冲电场。波形信号由信号发生 器提供。高速摄像与实验样槽的竖直截面垂直摆放，并由冷光灯做为拍摄的光源。高速摄像 机与高性能计算机相连，对拍摄的照片进行存取。此外，将功率放大器与示波器相连，可对高压功率放大器的输出信号进行监测和数据存取。实验系统的实物图如图 1（b）所示。高压电源 数据采集 系统光源高速摄 像系统微观样槽60（a） 微观实验流程示意图（b）实验装置实物图图 1 静电聚结微观实验装置图Figure 1 Apparatuses in electrostatic coalescence experiment65由于极板包覆有绝缘层，因而总电压应等于乳状液两端电压与绝缘层上的电压之和。令 乳状液间两端场强为E，绝缘层间场强为Es，两极板间总电压为U（有效值），极板间自由 电荷密度为，乳状液相对介电常数为r , 绝缘层相对介电常数为s，已知绝缘层厚度为ds，=极板间距为D，结合高斯定理，于是有：70则电场强度为：U （D - 2d s）e s + 2d s e r se s e r（1）E = se re sU=(D - 2d s )e s + 2d s e r=D + 2dUræ eèes çs÷- 1öø（2）2实验介质及方法实验用油包水型乳状液中的水滴以白油和蒸馏水在一定条件下经剪切乳化而获得。在实 验条件（25）下连续相粘度为 950 mPa·s，油水界面张力值为 39.84mN/m，连续相的电导75率和相对介电常数分别为 0.01pS/m 和 2.22。实验过程中通过信号发生器及高压功率放大器对微观实验样槽施加不同频率不同场强 的单脉冲电场（如图 2），并采用示波器对波形图像进行数据采集。实验中，分散相液滴粒 径控制在 100m 以下，由微量移液器注入实验样槽内，并保证视场内只有实验液滴，而无 其他液滴的影响。由于电场频率较高，为拍到一个周期内液滴的变化情况，并考虑实验设备80的能力，高速摄像曝光时间设定为 1/5000s。（1）400kv/m 300Hz（2）600kv/m 300Hz（3）800kv/m 3000Hz图 2 不同单脉冲电场Figure 2 Three different single impulse electric field853结果及讨论3.1单脉冲电场中液滴的变形特性1.101.051.00W/H0.950.900.851000HzD36 m2000HzD36 m3000HzD51 m0 2 4 6 810时间/ms0.0750.0700.0650.0600.0550.0500.0450.040e0.0350.0300.0250.0200.0150.0100.0050.000-0.0051000HzD36 m2000HzD36 m3000HzD51 m0 2 4 6 8 10时间/ms（1）单脉冲 E=400kV/m1.081.061.041.021.00W/H0.980.960.940.920.900.880.86300HzD64 m500HzD87 m1000HzD66 m2000HzD39 m3000HzD46 m0 2 4 6 810时间/ms0.080.070.060.050.04e0.030.020.010.00-0.01300HzD64 m500HzD87 m1000HzD66 m2000HzD39 m3000HzD46 m0 2 4 6 810时间/ms90（2）单脉冲 E=600kV/m1.141.121.101.081.061.04300HzD64 m500HzD30 m1000HzD56 m2000HzD32 m3000HzD56 m0.050.040.03300HzD64 m500HzD30 m1000HzD56 m2000HzD32 m3000HzD56 mW/H1.021.00e0.020.980.960.010.940.920.000.900 2 4 6 810时间/ms（3）单脉冲 E=800kV/m0 2 4 6 810时间/ms图 3 单脉冲电场中液滴的变形特性Figure 3 Deformation characteristics of droplets in single impulse electric field95上图中左侧各图表示在同一场强下不同频率条件下，液滴变形过程中的的宽高比（W/H） 随时间的变化；而右侧为离心率 e 与时间的关系。其中，离心率的计算式为：W - He =W + H（3）100105由于液滴粒径变形过程中会出现 W<H 的情况，为保证离心率始终为正值，分子采用 W与 H 之差的绝对值。对于液滴变形过程中的离心率，国内外学者所采用的公式不尽相同11。 从图 3 中我们可以看到，在高频单脉冲电场中，液滴离心率的数量级始终在 10-2，即液滴的变形程度非常小，几乎可以认为液滴是不变形的；而且也并未发现如在低频交流电场中 所观测到的变形周期与电场周期之间的 2 倍关系12。分析其中原因可能有如下几点：其一， 由于所加电场的频率很高（最高为 3000Hz），因而液滴受到电场力的时间极短，加之外相 粘度较大，因而液滴变形并不明显；其二，由于外加电场的频率过高，已超过液滴的固有频 率，从而不能产生液滴的共振，造成变形的不明显；其三，液滴粒径很小（100m 以下）， 从而液膜对水滴的附加压力很大，从而阻碍了液滴的变形，这一点可以从 We 的计算中看出。 电场中 We 的计算公式为11：2re e E 2110式中，油水界面张力，mN/m；1连续相相对介电常数；We = 1 0 l（4）1151200真空介电常数,8.85×10-12；r液滴半径，m；E电场强度，kv/m。以场强为 800kv/m 时为例，将电场强度及油水相物性带入式（4）中得，We=0.032。在 Eow 及 Yong-MiJung 等人的研究中发现，当 We<0.3 时，液滴的长宽比很小（约为 1.1）， 因而可以将液滴的变形忽略不计。从 We 的计算公式中，我们可以看出，液滴的变形与液滴 的界面张力及电场力有关。由于液滴粒径很小时，由附加压力计算公式可知液滴所受附加压 力很大，从而导致液滴变形小。将油、水相物性带入式（5）中得实验中液滴破裂所需的临界场强为 288×103kv/m，远 大于实验中所采用的最大场强值（800kv/m），因而实验中为观察到电分散现象。从临界场 强公式中我们可以看出，液滴的破裂受到分散相液滴的极化性质及油水界面张力的共同影 响，且小粒径（d<100m）液滴在电场中是极难破裂的。125Ecritial = 0.64(式中，油水界面张力，mN/m； 1连续相相对介电常数； 0真空介电常数,8.85×10-12； r液滴半径，m；3.2电场频率对液滴运动的影响l2e1e 0 r)1 / 2（5）130图 4 所示为电场强度 800kV/m 时，脉冲频率分别为 300Hz（周期为 3ms）和 3000Hz（周 期为 0.3ms）的单脉冲电场中液滴水平方向的位移变化及瞬时速度在 60ms 内的变化情况。 从水平位移的变化中我们可以看出，在相同时间内，与低频电场相比，高频率电场下液滴的 位移大，即高频电场下液滴的运动速较低频更快。从图 4 中可以看出，与低频相比，高频下 液滴的瞬时速度较大。2.50.082.00.06x方向位移/ m1.50.041.00.020.5瞬时速度/mm·s-10.000.0-0.020 10 2030 40 5060时间/ms-0.040 10 20 3040 5060时间/ms135（1）E=800kV/m、f=300Hz0.0670.046瞬时速度/mm·s-15 0.02x方向位移/ m40.003-0.0221 -0.040 -0.06-10 10 20 30 40 5060时间/ms0 10 2030 405060时间/ms（2）E=800kV/m、f=3000Hz图 4 不同脉冲频率下液滴瞬时参量随时间的变化Figure 4 Instantaneous parameters variation with time0.080.06300Hz3000Hz0.040.020.00瞬时速度/mm·s-1-0.02-0.04-0.061401450 10 20 30 40 50 60 70时间/ms图 5 液滴瞬时速度时间的变化Figure5 Instantaneous velocity variation with time图 6 为电场强度为 800kV/m，脉冲频率分别为 300Hz（周期为 3ms）、1000Hz（周期 为 1ms）和 3000Hz（周期为 0.3ms）时的单脉冲电场中液滴水平方向的位移变化及瞬时速度 在 1800ms 内随时间的变化情况。180160140300hz1000hz3000hz0.200.150.10120x方向位移/ m1008060402000.050.00-0.05-0.10x方向瞬时速度/mm·s-1-0.15-0.20300Hz1000Hz3000Hz-20-200 0200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800时间/ms-0.25-200 0200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800时间/ms150（1） x 方向位移随时间变化（2）液滴的瞬时速度图 6 不同频率下液滴的位移及速度Figure 6 Displacement and velocity under different frequencies从图中可以看出，随频率的增加，液滴运动速度明显增大。笔者认为，其原因如下： 液滴运动所受到的阻力与液滴的运动速度有关，随着速度的增加，阻力增加，从而造成加速 度的减小，最终阻力与电场力相同，液滴以恒速运动。由于液滴初始速度为零，因而阻力最 小，加速度最大。高频情况下，在初始阶段施加电场后，液滴在较大的加速度下运动，达到 某一速度后，电场消失，速度减小，而后电场又出现。由于高频下电场出现和消失的转换时155160间较短，因而液滴可以在较高的加速度下运动，从而平均速度较大。而低频下，由于这一转换频率较慢，从而，加速度会逐渐降低。因而，在高频情况下液滴的平均加速度要高于低频， 从而造成高频下液滴速度较大且同样时间内液滴的位移较大。上述过程如图 7 所示：图（b）为单脉冲电场示意图，图（c）为液滴运动速度随时间 的变化图。在（a）中液滴由位置 1 运动到位置 2 的过程中，电场为图（b）中的 A 区域， 而此过程内的速度变化为（c）图中虚线以左区域。随后场强消失，液滴在粘滞作用下减速。 从图中可以很清楚的看到，区域 A 的持续时间越短，该区域内的加速度越大。高频下，A 区域持续时间短，在 2 位置处末速度较低，但整个过程加速度高；经减速后，其下一加速阶 段的初速度低，但加速度很高，从而，平均加速度高，平均速度也高。而在低频下，情况则 正好相反。1 2（a）电压（b）AAB时间速度（c）165170时间图 7 高频电场中液滴运动Figure 7 t Kinetics of droplets in high-frequency electric field当然，也有学者认为这与高频脉冲电场的电路特性有关。他们认为，当频率升高时，回 路电流增大，从而使得电场对液滴做功增大，导致液滴运动速度对电场频率升高而增大。还 有一种观点认为，这一现象与乳状液体系的介电松弛时间及电场频率有关。持这种观点的学 者认为，电场变化频率升高，使得脉冲电场处于 0 时液滴的电荷泄露量减少，从而在电场再 次恢复时，受到的电场力较大，因而液滴运动速度较快。由于对这一现象的解释不尽相同， 因而有必要对这一现象进行更深入的研究。3.3单脉冲电场场强对液滴运动的影响180160400kV/m0.16400kV/m140120x方向位移 m100600kV/m800kV/m0.140.12x方向瞬时速度mm·s-10.100.08600kV/m800kV/m175806040200-20-200 0200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800时间/ms0.060.040.020.00-0.02-0.04-0.06时间/ms-200 0200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800（1） x 方向位移随时间变化（2）液滴的瞬时速度 图 8 不同场强下液滴的位移和瞬时速度随时间的变化Figure 8 Displacement and velocity variation with time180185190图 8 为同一频率下，场强与液滴的位移及瞬时速度的关系。在不同场强下液滴位移随时间成线性变化，且场强越大，液滴的运动速度越大。这主要是由于场强的增加，使得液滴所 受到的电场力增大，从而增大了液滴的加速度，在相同的加速时间下，液滴的运动速度变大。综上所述，场强的大小主要影响加速度的大小；而频率则主要影响液滴的加速时间。高 频电场下，虽然液滴的加速时间短，但由于其平均加速度较高，因此，在相同时间内液滴平 均速度较大。4结论（1）实验中液滴的 We 小于液滴变形的临界 We 数，即液滴所受电场力未能抵消液滴 的界面张力，因而未见液滴变形。（2）单脉冲电场对液滴运动有明显的影响，液滴的运动速度随着场强的增大而增大。 究其原因，主要是因为随着电场力增大，液滴受到的电场力增加，因而运动速度增大。（3）在单脉冲电场中，液滴的位移及瞬时速度的变化随频率的升高而加快。参考文献 (References)1952002052101 D. 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