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高频脉冲电场作用下液滴动力学研究

作　者: 魏庆彩
导　师: 倪玲英
学　校: 中国石油大学
专　业: 油气田开发工程
关键词: 光滑质点流体动力学方法两相流液滴变形液滴聚结电场强度
分类号: TE624.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 124次
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内容摘要

针对油田破乳困难的问题,对高频脉冲电场破乳方法进行了深入研究,通过模拟液滴在高频脉冲电场的各种行为,对电破乳的机理及破乳参数的选取进行了进一步研究。本文利用光滑质点流体动力学方法来模拟液滴在高频脉冲电场中的行为。为检验该方法在程序中的正确应用,对几个典型算例包括一维激波、Poiseuille流动和Couette流动进行了数值模拟,验证了光滑质点流体动力学方法在程序中的正确应用,为后续模拟奠定了基础。针对电场破乳机理及特性,建立了液滴在稳压电场作用下的动力学模型,编程模拟了单个液滴的变形、破裂行为。为了检验数值模拟结果的正确性,与John S. Eow的实验结果进行了对比。结果显示,该程序基本能够模拟处于电场中两相流中单液滴的变形、破裂情况。并对液滴变形的影响因素如电场强度、连续相的介电常数、界面张力以及液滴的尺寸进行了分析。发现存在一个临界电场强度,当外加电场强度小于临界电场强度时,液滴就会沿着电场强度的方向拉伸,而当外加电场强度大于临界电场强度时,液滴会产生破裂。因此,在进行电破乳时,外加电场强度值应不大于这一值为宜;连续相的介电常数越大,液滴变形越快,并且最终变形度越大;当体系的界面张力比较大时,液滴的变形度就相对较小;此外,液滴的尺寸对变形度的影响比较大,初始液滴比较大时,所需的破裂电场强度较低。针对高频脉冲电场破乳的复杂性,对液滴在高频脉冲电场中的变形、破裂以及聚结行为进行了模拟。发现液滴在高频脉冲电场中变形变慢;并且只有当电场强度大于介质击穿强度时,液滴才会发生聚结。通过模拟得到了临界电场强度和介质击穿强度的范围,为高频脉冲电破乳的电场参数选取提供理论依据。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-17
  1.1 研究目的和意义  9
  1.2 液滴在电场中运动规律的国内外研究现状  9-15
    1.2.1 理论研究现状  10
    1.2.2 实验研究现状  10-13
    1.2.3 数值模拟方面的研究现状  13-15
  1.3 主要研究内容以及拟解决的关键性问题  15-17
    1.3.1 研究内容  16
    1.3.2 拟解决的关键性问题  16-17
第二章液滴运动模拟中的光滑质点流体动力学方法  17-29
  2.1 光滑质点流体动力学方法基本原理  17-20
    2.1.1 函数的积分描述以及离散形式  17-18
    2.1.2 粒子近似  18-20
  2.2 光滑质点流体动力学方法中一些细节问题  20-22
    2.2.1 光滑长度  20-21
    2.2.2 核函数  21-22
    2.2.3 初始粒子的布置及邻居粒子搜索方法  22
  2.3 流体力学控制方程的描述及求解  22-27
    2.3.1 SPH形式的Navier-Stokes方程及其求解  23-25
    2.3.2 边界条件的实现  25-27
    2.3.3 粘性的处理  27
  2.4 SPH方法总结  27-29
第三章标准算例的模型建立及数值模拟  29-42
  3.1 编写程序  29-30
  3.2 标准算例的物理模型描述及模拟结果  30-41
    3.2.1 一维激波的物理模型及模拟结果  30-33
    3.2.2 二维粘性不可压缩流动的模型及模拟结果  33-41
  3.3 本章小结  41-42
第四章液滴在高频脉冲电场中的数值模拟  42-69
  4.1 引言  42
  4.2 油水分离的基本原理和装置  42-44
    4.2.1 电破乳的基本原理  42-43
    4.2.2 油水分离的新型装置  43-44
  4.3 油水分离过程中液滴变形的理论分析  44-46
    4.3.1 电场力  44-45
    4.3.3 粘性力  45
    4.3.4 界面张力  45-46
  4.4 液滴在稳压电场中的数值分析  46-59
    4.4.1 物理模型  46-48
    4.4.2 控制方程  48
    4.4.3 模拟及结果分析  48-55
    4.4.4 物理实验验证  55-56
    4.4.5 液滴变形的影响因素分析  56-59
  4.5 液滴在高频脉冲电场中的数值分析  59-66
    4.5.1 单液滴在脉冲电场中变形的数值分析  60-61
    4.5.2 两个液滴在脉冲电场中的数值分析  61-65
    4.5.3 高频脉冲电场数值结果的对比分析  65-66
  4.6 编程技巧  66
  4.7 本章小结  66-69
结论  69-71
参考文献  71-75
攻读硕士学位期间取得的学术成果  75-76
致谢  76

高频脉冲电场作用下液滴动力学研究

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